關(guān)于測試鋰電池陰極充放電過程中的原子結(jié)構(gòu)演變過程的新研究，有助于增加電動(dòng)汽車的行駛里程。圖片來源:斯坦福大學(xué)/ 3D圖表

來自斯坦福大學(xué)、美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室和三星電池制造商的研究者，從多個(gè)角度對該難題進(jìn)行了研究。這有助于學(xué)者更全面的了解問題所在，即同一化學(xué)過程中使陰極獲得更高容量的原因與原子結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，自然地削弱了富鋰陰極的性能。

作為該項(xiàng)研究的帶領(lǐng)者，斯坦福大學(xué)研究生William Gent解釋：“這無疑是個(gè)好消息，通過控制電極材料的原子結(jié)構(gòu)演變來調(diào)整電池充放電的方式，為我們提供了極具憧憬的新途徑來優(yōu)化富鋰陰極的電壓性能。”

身為SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的杰出工作者同時(shí)參與論文合著，Michael Toney則表示：“如果能實(shí)現(xiàn)富鋰電極的高效工作，將達(dá)成一項(xiàng)壯舉，因?yàn)?/span>富鋰電極將成為電動(dòng)汽車的更佳推動(dòng)器。汽車產(chǎn)業(yè)對如何實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)有濃厚興趣，也認(rèn)識到攻克技術(shù)壁壘將會幫助汽車業(yè)解決阻礙其發(fā)展的障礙。”

這項(xiàng)研究已經(jīng)成功發(fā)表在Nature Communications。

研究者利用SLAC斯坦福同步輻射光源(SSRL)和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源(ALS)的多種x射線技術(shù)對印記進(jìn)行了研究。由David Prendergast領(lǐng)導(dǎo)的伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造學(xué)家也參與了這一研究，幫助實(shí)驗(yàn)者分析尋找目標(biāo)并解釋結(jié)果。陰極本身是由三星先進(jìn)技術(shù)研究院使用相關(guān)商業(yè)工藝制造，并將之組裝成類似于電動(dòng)汽車的使用電池。

作為在美國居住的博士研究生，Gent參與了這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)和理論建模。他認(rèn)為：“整個(gè)過程確保了研究結(jié)果象征著對前沿材料的理解，而這同樣對我們的行業(yè)合作者產(chǎn)生直接影響。”

將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存的電池裝置存在三個(gè)基本組成部分:陰極和陽極兩個(gè)電極，以及電極之間的液體電解質(zhì)。鋰電池充電和放電時(shí)，鋰離子在兩個(gè)電極之間來回穿梭，在電極中它們會自主插入電極材料。

電極吸收和釋放的離子越多，它可儲存的能量便越多，電池尺寸就可以越做越小，最終又將促進(jìn)電動(dòng)汽車行駛距離的增長。而電極吸收和釋放的離子的數(shù)量與其尺寸和重量有關(guān)，被稱為電池容量。

斯坦福大學(xué)材料與能源科學(xué)研究所(SIMES)調(diào)查員William Chueh表示：“目前的鋰離子電池的陰極只利用了其理論容量的一半，這意味著它在充電后本應(yīng)該能夠持續(xù)兩倍的使用時(shí)間。”

William Chueh說道“但你無法使電池完全飽和。類似于往水桶中裝水，你卻只能倒出一半的水。這也是該領(lǐng)域目前面臨的一大挑戰(zhàn)——如何讓這些陰極材料發(fā)揮其理論存儲能力?這恰使得人們對富鋰陰極儲存更多能量的前景興奮不已。”

如同目前的電池陰極，富鋰陰極由數(shù)個(gè)鋰層組成，夾在鎳、錳或鈷等過渡金屬元素形成的氧化物層之間。且在氧化物層中加入鋰可使陰極的容量增加30%到50%。

Chueh表示：之前的研究表明當(dāng)富鋰陰極電荷移動(dòng)時(shí)，有多個(gè)過程同步進(jìn)行，即鋰離子從陰極轉(zhuǎn)移到陽極，一些過渡金屬原子會移動(dòng)到鋰離子初始位置，與此同時(shí)氧原子會釋放一些電子，建立充電所需的電流和電壓。

Chueh繼續(xù)補(bǔ)充：當(dāng)鋰離子和電子在放電過程中回到陰極時(shí)，大多數(shù)的過渡金屬闖入者會返回各自的最初位置，但不是全部過渡金屬都會回去，更不會短期消失。在每次循環(huán)中，這種往返變化會改變陰極的原子結(jié)構(gòu)，就如同這個(gè)桶變得更小并且瞬息萬變。

Chueh最后解釋:“即使知道所有現(xiàn)象都可能存在關(guān)聯(lián)，但不清楚如何產(chǎn)生。目前在SSRL和ALS的一系列實(shí)驗(yàn)中，研究者發(fā)現(xiàn)了它們的關(guān)聯(lián)機(jī)制以及如何實(shí)現(xiàn)掌控。這是人們還未徹底解讀的重大技術(shù)發(fā)現(xiàn)。”

在SLAC的SSRL中，Toney和同事使用了各種各樣的X射線方法，以精確確定陰極原子和化學(xué)結(jié)構(gòu)是如何隨著電池的充放電演變。另一重要的工具是軟X射線共振X射線散射 (RIXS)，它從原子尺度獲取信息幫助了解材料的磁性和電子特性。此外先進(jìn)的RIXS系統(tǒng)從去年就開始在ALS中運(yùn)作，使樣本掃描變得更加快速。

ALS科學(xué)家Wanli Yang談到：“RIXS主要用于基礎(chǔ)物理。但在新的ALS系統(tǒng)中要想真正開放RIXS用于能源相關(guān)的材料在內(nèi)的實(shí)用材料研究。既然這些研究潛力已經(jīng)被部分證明，那么便可以很輕松地將RIXS擴(kuò)展到其他電池材料，并獲得以前無法獲取的信息。”

研究團(tuán)隊(duì)在努力通過已獲取的基本知識重新設(shè)計(jì)電池材料，新的電池材料被期待達(dá)到其理論的儲存能力，同時(shí)不會隨著時(shí)間的推移失去電壓性能。