美国科学家控制阴极材料中结构缺陷浓度 提升锂电池性能

2020-03-19 11:16:23来源:盖世汽车  

为了得出该结论,科学家们需要进行比以往更高精度的实验,测量阴极材料中的缺陷浓度。Khalifah表示:“阴极材料的缺陷浓度在2%至5%之间。以前,只能以大约1%的灵敏度测量缺陷浓度,在该项

工程师们都在设计具备更持久电池的智能手机、续航里程可达上百英里的电动汽车、可以存储可再生能源供未来使用的可靠电网,而如果科学家们能够设计更好的阴极材料,上述技术将唾手可得。

迄今为止,增强阴极材料的典型策略是改变其化学成分。不过,据外媒报道,现在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的化学家们对电池性能有了新发现,得出了优化阴极材料的不同策略。他们的研究专注于控制阴极材料中结构缺陷的数量。

布鲁克海文国家实验室兼纽约州立大学石溪分校(Stony Brook University)化学家Peter Khalifah表示:“我们改变了阴极的原子排列,而不是改变其化学成分。”

现在,大多数的阴极材料都由锂离子和镍等过渡金属交替层组成。在此类层状结构中,通常可以发现少量缺陷,意味着可以在应该存在锂离子的地方找到过渡金属的原子,反之亦然。

Khalifah表示:“可以将缺陷看出是完美材料结构的“错误”。众所周知,如果存在大量的缺陷,会导致电池性能糟糕。但是,我们了解到,如果有少量缺陷,实际上可以改善电池的关键性能。” Khalifah表示,好的阴极材料会具备两种性能:离子电导性(锂离子可以很好地移动)以及电子电导性(电子可以很好地移动)。

他表示:“缺陷就像是在锂离子和过渡金属层之间戳一个洞,让锂离子和电子不再局限于二维空间,而是可以在三维空间中移动。”

为了得出该结论,科学家们需要进行比以往更高精度的实验,测量阴极材料中的缺陷浓度。Khalifah表示:“阴极材料的缺陷浓度在2%至5%之间。以前,只能以大约1%的灵敏度测量缺陷浓度,在该项研究中,我们精确测量了缺陷浓度,灵敏度为0.1%。”

为了实现此种精确度,科学家们利用美国能源部两个科学用户机构 – 能源部阿贡国家实验室的大型同步加速器先进光子源(Advanced Photon Source,APS)和能源部橡树岭国家实验室的散射中子源(Spallation Neutron Source,SNS)的数据,进行了粉末衍射分析。

粉末衍射是一种强大的研究技术,可以通过将X射线、中子或电子的光束射向材料,并研究光束如何衍射,以了解材料中单个原子的位置。在本研究中,科学家们在APS进行 X射线测量,在SNS进行了中子测量。

科学家们能够如此精确地测量缺陷浓度,之后就可以研究缺陷与阴极材料之间的关系。最终,科学家们研发了一种可以实现任何缺陷浓度的“配方”。未来,此种配方可以指导科学家利用更便宜、更环保的材料合成阴极,然后调整缺陷浓度,实现最佳电池性能。

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