新型陰極材料使鋰離子電池能量密度增加三倍
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-14 13:05
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隨著對(duì)智能手機(jī)，電動(dòng)汽車(chē)和可再生能源的需求持續(xù)增長(zhǎng)，研究人員正在尋找改進(jìn)鋰離子電池的方法。鋰離子電池是家用電子產(chǎn)品中最常見(jiàn)的電池類(lèi)型，也是存儲(chǔ)電網(wǎng)規(guī)模能源的潛在方式。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)科學(xué)家小組已經(jīng)找到了一種提高鋰離子電池能量密度的方法，這可以使電池更耐用，并擴(kuò)大風(fēng)能和太陽(yáng)能的使用。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種能夠使鋰離子電池電極能量密度增加三倍的陰極材料。
“鋰離子電池由陽(yáng)極和陰極組成，”該團(tuán)隊(duì)的首席科學(xué)家秀林秀說(shuō)。“陰極材料一直是進(jìn)一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”
該團(tuán)隊(duì)合成了一種新的陰極材料，一種改性形式的三氟化鐵(FeF 3)，由鐵和氟組成，價(jià)格低廉且環(huán)境友好，已知其本身具有比傳統(tǒng)陰極材料更高的容量。通常用于鋰離子電池的材料基于插層化學(xué)； 雖然有效，但它只傳輸單個(gè)電子，從而限制了陰極。然而，諸如FeF3的化合物可以通過(guò)稱(chēng)為轉(zhuǎn)化反應(yīng)的更復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理轉(zhuǎn)移幾個(gè)電子。
盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合物在過(guò)去由于其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的三個(gè)并發(fā)癥而在鋰離子電池中效果不佳：能效差(滯后)，反應(yīng)速度慢，以及副反應(yīng)可以降低其騎行壽命。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們通過(guò)稱(chēng)為化學(xué)替代的過(guò)程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這讓科學(xué)家們操縱反應(yīng)途徑，使其更具“可逆性”。
用氧和鈷代替陰極材料可防止鋰破壞化學(xué)鍵并保留材料的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)鋰離子插入FeF3時(shí)，該材料轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰。但是，反應(yīng)不是完全可逆的。但是，在用鈷和氧取代后，反應(yīng)變得更加可逆。
為了研究反應(yīng)途徑，科學(xué)家們進(jìn)行了幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。首先，他們使用強(qiáng)大的電子束和稱(chēng)為透射電子顯微鏡(TEM)的技術(shù)，以0.1納米的分辨率觀(guān)察FeF 3納米棒。這讓研究人員確定陰極中納米顆粒的確切尺寸，并分析陰極在充放電過(guò)程的不同階段如何變化。他們?cè)谔娲{米棒中看到了更快的反應(yīng)。
“TEM是一種用于表征非常小長(zhǎng)度材料的強(qiáng)大工具，它還可以實(shí)時(shí)研究反應(yīng)過(guò)程，”該團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家董蘇說(shuō)，“但是，我們只能使用TEM看到樣品的有限區(qū)域。我們需要同步加速器技術(shù)來(lái)了解整個(gè)電池的功能。”
因此，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)陰極材料發(fā)送了超亮X射線(xiàn)。通過(guò)分析光散射的方式，團(tuán)隊(duì)可以發(fā)現(xiàn)有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的其他信息。進(jìn)一步的分析表明，該團(tuán)隊(duì)的化學(xué)替代促進(jìn)了電化學(xué)的可逆性。
研究人員還進(jìn)行了基于密度泛函理論的先進(jìn)計(jì)算方法，以破解原子尺度的反應(yīng)機(jī)制。這表明化學(xué)取代通過(guò)減小鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相而將反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)。該研究策略可應(yīng)用于其他高能轉(zhuǎn)換材料并改進(jìn)其他類(lèi)型的電池。
固態(tài)電池被認(rèn)為是下一代鋰離子電池，因此受到人們的極大關(guān)注，但是尚未有公司將固態(tài)電池投入量產(chǎn)?，F(xiàn)在，一家中國(guó)的初創(chuàng)公司表示，其已經(jīng)開(kāi)始建立固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)，并且將開(kāi)始量產(chǎn)固態(tài)電池。
中國(guó)清陶(昆山)能源發(fā)展有限公司是一家從清華大學(xué)剝離出來(lái)的初創(chuàng)公司，清華大學(xué)是中國(guó)技術(shù)最發(fā)達(dá)的大學(xué)之一，該公司表示其已經(jīng)在中國(guó)部署了第一條固態(tài)電池生產(chǎn)線(xiàn)。
固態(tài)電池被認(rèn)為比普通鋰離子電池更安全，而且具有更高的能量密度。該技術(shù)是全球高科技公司的下一代高容量?jī)?chǔ)能解決方案，旨在改進(jìn)現(xiàn)有的鋰離子電池，用固體和導(dǎo)電材料取代液體或凝膠形式的電解質(zhì)。
該初創(chuàng)公司的負(fù)責(zé)人南策文表示，已經(jīng)投資了10億人民幣(約合1.44億美元)用于搭建生產(chǎn)線(xiàn)。該生產(chǎn)線(xiàn)位于中國(guó)東部的江蘇省昆山市，年產(chǎn)能為100兆瓦時(shí)，計(jì)劃到2020年將年產(chǎn)能提升至700兆瓦時(shí)。目前，他們將此類(lèi)固態(tài)電池主要用于“特殊設(shè)備和高端電子產(chǎn)品中”，但是南策文表示該公司正與一些大型汽車(chē)制造商就將該固態(tài)電池用于電動(dòng)汽車(chē)中進(jìn)行磋商。
