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有关无序阴极的新研究可能为锂电池提供急需的冲击

如今的锂离子电池早已被发明出来,效率并不高。 现在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员报告了用所谓“无序”材料制造的阴极的重大进展,这是一种有前景的新型锂电池。
锂离子电池
在本月发表在“自然通讯与物理评论快报”(PRL)上的一对论文中,由Gerbrand Ceder领导的一个科学家小组提出了一套制造新的无序材料的规则,一个以前由试验推动的过程 - 和错误。他们也找到了加入氟的方法,使材料更加稳定,具有更高的生产能力。

伯克利实验室高级教授科学家塞德(Ceder)说,“这确实是制造高能量密度阴极的一个有趣的新方向。”伯克利加州大学伯克利分校材料科学与工程系任命。 “现在人们所提出的所有无序岩盐都有非常高的电池容量,在PRL论文中我们给出了一个如何更系统地制造这些材料的指导原则。

障碍的好处

锂电池中的阴极材料通常是“有序的”,这意味着锂和过渡金属原子排列成整齐的层,允许锂进出各层。几年前,Ceder的小组发现某些类型的无序材料可以储存更多的锂,从而使电池具有更高的容量。

PRL论文的第一作者,“过渡金属氧化物中阳离子失调的电子结构起源”是伯克利实验室的博士后,Alexander Urban。

Urban表示:“尽管它们具有吸引人的特性,但是发现新的无序材料主要是由反复试验和依靠人类直觉驱动的。 “现在我们首次确定了一个简单的设计标准来预测新的无序组分,这种新的认识建立了化学种类,晶体结构的局部扭曲和形成无序相​​的倾向之间的关系。

使用无序材料的另一个好处是能够避免使用钴,这是一种有限的资源,在政治不稳定的国家,世界上有一半以上的供应。通过转向无序的岩盐,电池设计师可以自由使用更广泛的化学品。例如,已经使用铬,钛和钼制造了无序材料。

“我们希望能够有更多的构图自由,所以我们可以调整其他参数,”Ceder说。 “有很多优化的性能 - 电压,长期稳定性,是否容易合成 - 有很多东西需要电池材料进入商业阶段。现在我们有一个配方如何使这些材料“。

如何以及为什么要氟化电池

锂离子电池的另一个主要进展是在Nature Communications的论文“缓解氧损失以改善高容量阳离子无序阴极材料的循环性能”中报道,其表明与其他电池材料不同,无序材料可被氟化。氟化具有两个优点:它允许更多的容量并使材料更稳定。在电池中,增加的稳定性将转化为具有长循环寿命并且不太可能着火的装置。

本文的第一作者,前Berkeley实验室研究员Jinhyuk Lee与伯克利实验室先进光源(ALS)科学家合作,他们是进行科学研究的X射线光源,进行原位实验。 Ceder说:“ALS对于理解我们获得更高容量的机制非常重要。 “真正很酷的是,你可以在电池运行的时候看看电池,看看阴极的电子结构,这样你就可以知道电子在哪里充电和放电,这是电荷存储的一个重要方面。

ALS的科学家肖恩·萨利斯(Shawn Sallis)和万里·杨(Wanli Yang)是伯克利实验室的布赖恩·麦克洛斯基(Bryan McCloskey)的共同作者。 Ceder说:“他的团队对于显示这些材料更加稳定,不会失去氧气至关重要。

现在,他们已经展示了这个概念,Ceder计划跟进,试图增加更多的氟材料。

Ceder说:“新型阴极材料是锂离子电池最热门的方向。 “这个领域有点卡住了,为了获得更多的储能改进,只有几个方向,一个是固态电池,另一个是不断提高电极材料的能量密度,二者不是相互的这个研究线绝对没有用尽。“
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