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科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹 加快电动汽车充电速度

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(图片来源:Brookhaven官网)

58京牌 ,美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)科学家领导的团队,成功实时捕获锂离子在钛酸锂(LTO)中的移动轨迹。钛酸锂是快速充电电池的一种电极材料,由锂、钛和氧组成。

科学家们发现,在LTO中间产物(锂离子浓度介于初始状态和终止状态之间)中,锂及其周边原子扭曲排列,为运输锂离子提供了一条“快车道”。这一发现为改良电池材料设计、加快充电速度提供了新思路。布鲁克海文实验室跨学科科学部门的材料科学家Feng Wang表示:“给汽车的油箱加满油只需几分钟,而给一辆电动汽车的电池充电,则需要几小时。弄清楚如何让锂离子在电极材料中更加快速地移动,这一点很重要,有助于制造出更好的电池,大大缩短充电时间。”

锂离子电池的工作原理是通过电解质,使锂离子在正负电极之间来回移动。石墨通常被认为是最先进的锂离子电池负极,但是,对于快速充电应用,LTO材料是很有吸引力的替代品。LTO能够快速容纳锂离子,而不会形成锂镀层(即锂沉积于电极表面,而不是内部)的影响。LTO容纳锂时,会从初始相(Li4Ti5O12)转变为终止相(Li7Ti5O12),二者的锂电导率都较差。这给科学家们制造了一个难题:如何让LTO电极快速充电。要解决这个看似矛盾的问题,需要了解锂离子在LTO中间结构(锂离子浓度介于Li4Ti5O12和Li7Ti5O12之间的结构)中是如何传输的,仅仅得到从初始阶段到终止阶段的静态图像是不够的。

然而,锂离子很轻,如果采用传统的电子或X射线探测技术,很难探测到。尤其是在活性物质中快速移动的锂离子,比如正在运行的电池电极中的LTO纳米颗粒。在本项研究中,科学家们设计了一个电化学电池,使其在透射电子显微镜(TEM)中工作,实时跟踪锂离子在LTO纳米颗粒中的移动状态。研究小组在电池充放电过程中,进行电子能量损失光谱分析(EELS),测量电子与样品相互作用后的能量变化,以揭示样品局部的化学状态。在TEM中进行EELS分析,可以保持对锂离子的高度敏感,提供高分辨率,从空间和时间上捕捉纳米粒子中的离子传输。

“该团队在开发电化学功能电池时,克服了重重挑战。既要使电池像普通电池一样循环,同时要确保它足够小,能够适合TEM的毫米级样品空间。”布鲁克海文国家实验室的凝聚态物理和材料科学(CMPMS)部门的电子显微镜和纳米结构小组负责人、高级科学家Yimei Zhu表示,“为了测量锂的EELS 信号,样品需要非常薄,超出了通常在TEM中探测电子所需的透明度。”

所得到的EELS光谱中包含的信息,主要关于在充放电过程中,锂在不同LTO状态下的吸收和局部环境信息。为了破译这些信息,伯克利新兴材料研究算和实验设计中心(CEDER)和布鲁克海文功能纳米材料中心(CFN)的科学家们,模拟了光谱,并在此基础上,从数千种可能性中明确了原子的排列。为了确定局部结构对离子移动的影响,CEDER小组通过量子力学方法,计算LTO中锂离子移动的能量壁垒。

“计算模型具有重要意义,可以了解为何锂能在这种材料中快速移动。”CEDER负责人Gerbrand CEDER表示,“这种材料容纳锂后,原子排列变得非常复杂,很难通过简单的传输思想来定义。计算显示,锂离子是因为拥挤而快速移动。”

“这项工作的一个重要方面是,将实验和模拟结合在一起。因为模拟可以帮助我们解释实验数据,得到机械性理解。”该研究的合著者、CFN理论和计算小组的物理学家Deyu Lu称,“我们多年来在CFN开发的计算光谱学专业知识,在这一合作用户项目中扮演着重要角色,可以识别EELS中的关键光谱指纹,揭示它们在原子结构中的物理起源及其电子特性。”

分析显示,LTO具有亚稳态中间构型,其中原子的局部位置,与通常的排列方式不同。这种局部的“多面”扭曲排列,降低了能量壁垒,为锂离子的快速移动提供了途径。Wang解释说:“汽油可以不受阻碍地流进汽车油箱,因为油箱本身是一个空容器。与之不同的是,锂需要经过一番‘争战’,才能进入不是完全开放的LTO。为了得到锂,LTO会从一种结构转变成另一种结构。通常情况下,这种两相转换需要时间,限制了快速充电的能力。然而,在这种情况下,LTO原子结构的局部扭曲,提供了更多的开放空间,使锂可以轻松通过,比预期中更快地被容纳。这些高导电路径,出现在两个阶段之间的丰厚边界。”

接下来,科学家们将探索LTO在实际应用中的局限性,例如发热与高速率循环时出现的容量损失。通过研究LTO在不同循环速率下反复吸收和释放锂后的行为方式,他们希望找到解决这些问题的方法,为快速充电电池开发实际可行的电极材料。Zhu说:“这项跨机构工作,结合了原位光谱学、电化学、计算和理论,为今后的研究建立基础。”

Wang说:“通过我们新开发的电化学电池,并给合布鲁克海文CFN强大的电子和X射线显微镜和国家同步加速器光源II(NSLS-II),我们希望能够进一步研究快速充电电极中的传输行为。通过这些最先进的工具,我们将获得,在真实反应条件下和实时循环过程中,样品局部和整体结构中锂运输的完整视图。”

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