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稳定大容量锂离子电池

西北大学的一个研究小组已经找到了稳定新电池的方法,这种电池的记录容量很高。基于锂锰氧化物阴极,这一突破可使智能手机和电池动力汽车的续航时间延长两倍以上。


锂离子电池

“这种电池电极已经实现了所有过渡金属氧化物基电极有史以来报道的最高容量之一,它是目前手机或笔记本电脑中材料容量的两倍多,”杰罗姆B.克里斯托弗沃尔弗顿说。负责该研究的西北McCormick工程学院材料科学与工程系Cohen教授。 “这种高容量将代表电动汽车用锂离子电池的巨大进步。”

该研究于5月14日在线发表在Science Advances上。

锂离子电池通过在阳极和阴极之间来回穿梭锂离子来工作。阴极由包含锂离子,过渡金属和氧的化合物制成。当锂离子从阳极移动到阴极并返回时,过渡金属(通常为钴)有效地存储和释放电能。然后,阴极的容量受到参与反应的过渡金属中的电子数量的限制。

法国的一个研究小组在2016年首次报道了大容量锂锰氧化物化合物。通过用较便宜的锰取代传统的钴,该团队开发出了价格更便宜的电极,其容量翻了一番多。但这并非没有挑战。在前两个周期内,电池的性能下降非常显着,研究人员不认为它在商业上可行。他们也没有完全理解大容量或退化的化学来源。

Wolverton的团队在详细描述了阴极原子的原子图后,发现了该材料高容量背后的原因:它强制氧气参与反应过程。除了过渡金属之外,通过使用氧气来储存和释放电能,电池具有更高的储存和使用锂的能力。

接下来,西北团队将注意力转向稳定电池,以防止其迅速退化。

“凭借充电过程的知识,我们使用高通量计算来扫描元素周期表,找到新的方法将这种化合物与能够提高电池性能的其他元素合成,”Zhenpeng Yao说,他是第一作者,该论文和前博士。沃尔弗顿实验室的学生。

计算确定了两个元素:铬和钒。该团队预测,将元素与锂锰氧化物混合将产生稳定的化合物,从而保持阴极前所未有的高容量。接下来,Wolverton和他的合作者将在实验室中通过实验测试这些理论化合物。

作为电化学能源科学中心的一部分,该研究得到了支持,这是一个由美国能源部科学办公室基础能源科学部资助的DE-AC02-06CH11357能源前沿研究中心。目前是哈佛大学博士后研究员的Yao和麻省理工学院博士后研究员Soo Kim都是Wolverton实验室的前任成员,并担任该论文的第一作者。
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