新型材料能使鋰離子電池能量密度增加三倍嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-30 14:09
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“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”該團隊的首席科學家秀林秀說。“陰極材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”
該團隊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; 雖然有效，但它只傳輸單個電子，從而限制了陰極。然而，諸如FeF3的化合物可以通過稱為轉化反應的更復雜的反應機理轉移幾個電子。
盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合物在過去由于其轉化反應的三個并發(fā)癥而在鋰離子電池中效果不佳：能效差(滯后)，反應速度慢，以及副反應可以降低其騎行壽命。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學家們通過稱為化學替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這讓科學家們操縱反應途徑，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鍵并保留材料的結構。
當鋰離子插入FeF3時，該材料轉化為鐵和氟 化 鋰。但是，反應不是完全可逆的。但是，在用鈷和氧取代后，反應變得更加可逆。
為了研究反應途徑，科學家們進行了幾項實驗。首先，他們使用強大的電子束和稱為透射電子顯微鏡(TEM)的技術，以0.1納米的分辨率觀察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程的不同階段如何變化。他們在替代納米棒中看到了更快的反應。
“TEM是一種用于表征非常小長度材料的強大工具，它還可以實時研究反應過程，”該團隊的科學家董蘇說，“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來了解整個電池的功能。”
因此，該團隊通過陰極材料發(fā)送了超亮X射線。通過分析光散射的方式，團隊可以發(fā)現(xiàn)有關材料結構的其他信息。進一步的分析表明，該團隊的化學替代促進了電化學的可逆性。
研究人員還進行了基于密度泛函理論的先進計算方法，以破解原子尺度的反應機制。這表明化學取代通過減小鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相而將反應轉變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)。該研究策略可應用于其他高能轉換材料并改進其他類型的電池。
