一种新的阴极材料超过了传统锂离子电池的容量限制

随着对智能手机，电动汽车和可再生能源的需求持续增长，科学家们正在寻找改进锂离子电池的方法-锂离子电池是家用电子产品中最常见的电池类型，也是电网规模储能的有前途的解决方案。提高锂离子电池的能量密度可以促进具有长效电池的先进技术的发展，以及风能和太阳能的广泛使用。现在，研究人员在实现这一目标方面取得了重大进展。

由马里兰大学(UMD)，美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和美国陆军研究实验室的科学家领导的合作开发并研究了一种能够使锂离子能量密度增加三倍的新型阴极材料。电池电极。他们的研究成果于6月13日在NatureCommunications上发表。

“锂离子电池由阳极和阴极组成，”UMD科学家和该论文的主要作者之一的秀林秀说。“与锂离子电池中使用的商用石墨阳极的大容量相比，阴极的容量更加有限。阴极材料始终是进一步提高锂离子电池能量密度的瓶颈。”

UMD的科学家们合成了一种新的阴极材料，这是一种改良的工程形式的三氟化铁(FeF3)，由经济有效和环境友好的元素-铁和氟组成。研究人员一直对在锂离子电池中使用FeF3等化合物感兴趣，因为它们具有比传统阴极材料更高的容量。

“通常用于锂离子电池的材料都是基于插层化学，”布鲁克海文的化学家和该论文的主要作者之一EnyuanHu说。“这种类型的化学反应是非常有效的;但是，它只转移一个电子，因此阴极容量是有限的。一些化合物如FeF3能够通过更复杂的反应机制转移多个电子，称为转化反应。”

尽管FeF3具有增加阴极容量的潜力，但该化合物在锂离子电池中的表现并不理想，因为其转化反应存在三个并发症：能效差(滞后)，反应速度慢，副反应可能导致循环寿命不佳。为了克服这些挑战，科学家们通过一种称为化学替代的过程将钴和氧原子添加到FeF3纳米棒中。这使科学家能够操纵反应途径并使其更具“可逆性”。

“当锂离子被插入到FeF3中时，这种物质会转化为铁和氟化锂，”该论文的合着者和布鲁克海文功能纳米材料中心(CFN)的科学家SooyeonHwang说。“然而，反应不是完全可逆的。用钴和氧取代后，阴极材料的主要骨架更好地保持，反应变得更加可逆。”

为了研究反应途径，科学家们在CFN和国家同步加速器光源II(NSLS-II)-布鲁克海文的两个DOE科学用户设施办公室进行了多次实验。

首先在CFN，研究人员使用强大的电子束以0.1纳米的分辨率观察FeF3纳米棒-一种称为透射电子显微镜(TEM)的技术。TEM实验使研究人员能够确定阴极结构中纳米颗粒的确切尺寸，并分析结构在充电-放电过程的不同阶段之间如何变化。他们看到取代纳米棒的反应速度更快。

“TEM是一种用于表征非常小尺度材料的强大工具，它还能够实时研究反应过程，”CFN的科学家和该研究的共同作者DongSu说。“然而，我们只能使用TEM看到非常有限的样品区域。我们需要依靠NSLS-II的同步加速器技术来了解整个电池的功能。”

在NSLS-II的X射线粉末衍射(XPD)光束线上，科学家们通过阴极材料引导了超亮X射线。通过分析光散射的方式，科学家们可以“看到”有关材料结构的其他信息。

“在XPD，我们进行了配对分布功能(PDF)测量，能够检测大量的当地铁排序，”该论文的合着者和NSLS-II的科学家白建明说。“对放电阴极的PDF分析清楚地表明，化学替代促进了电化学的可逆性。”

在CFN和NSLS-II上结合高度先进的成像和显微技术是评估阴极材料功能的关键步骤。

“我们还进行了基于密度泛函理论的先进计算方法，以破解原子尺度的反应机制，”UMD的科学家，该论文的共同作者肖骥说。“这种方法表明化学替代通过减少铁的粒径和稳定岩盐相将反应转变为高度可逆的状态。”UMD的科学家表示，这种研究策略可以应用于其他高能转换材料，未来的研究可能使用该方法来改进其他电池系统。