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研究团队首次直接观察阴离子氧化还原反应 有助于打造更安全、更节能的锂离子电池

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58京牌 ,一国际合作团队首次直接观察到锂电池材料中的阴离子氧化还原反应。这项研究为改进现有电池正极并提出新设计开辟了道路。

(图片来源:卡内基梅隆大学)

实现飞机和重型车辆,需要能量密度更高的电池。据该研究团队介绍,为了大幅提升电池技术,有必要进行范式转变。这要用到富锂正极中的阴离子还原氧化机制。

参与本项研究的机构包括卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)、东北大学(Northeastern University)、芬兰拉彭兰塔理工大学(LUT),以及日本群马大学(Gunma University)、日本同步辐射研究所(JASRI)、横滨国立大学(Yokohama National University)、京都大学(Kyoto University)和立命馆大学(Ritsumeikan University)等日本机构。

富锂氧化物是富有前景的正极材料,已被证明具有更高的存储容量。但是,电池材料必须能够快速充电,在极端温度下保持稳定,并且可靠地循环数千次。为了解决这些问题,科学家们需要明确这些氧化物在原子层面是如何工作的,及其潜在的电化学机制。研究人员表示,高能量密度正极设计代表电池的下一个发展前沿。

普通锂离子电池通过阳离子氧化还原工作,随着锂的插入或移除,金属离子会改变其氧化态。在这一插入框架内,每个金属离子只能存储一个锂离子。然而,富锂正极可以存储的数量更多,研究人员将此归因于阴离子氧化还原机制。在这种情况下,是氧氧化还原。这种机制归功于材料的高容量,与传统正极相比,其储能几乎翻番。

该团队利用康普顿散射为氧化还原机制提供确据。康普顿散射是指光子与粒子(通常是电子)相互作用后偏离直线轨迹的现象。研究人员在SPring-8进行了复杂的理论和实验研究,这是世界上最大的第三代同步辐射设施,由JASRI运营。同步辐射由窄而强的电磁辐射束组成,当电子束被加速到(几乎)光速时,并在磁场作用下被迫以弯曲的路径行进时,就会产生这些电磁辐射束,从而使康普顿散射变得可视化。

研究人员观察,位于可逆和稳定的阴离子氧化还原活动核心区域的电子轨道,如何成像和可视化,及其特征和对称性是如何确定的。这一科学突破或将彻底改变未来的电池技术。先前的研究提出过关于阴离子氧化还原机理的其他解释,但未进行标准实验测量,因此不能清晰地反映与氧化还原反应有关的量子力学电子轨道。

研究团队首次得到一致的关于氧化还原特性的理论和实验结果。主要研究人员Hasnain Hafiz表示:“我们的分析可以描绘出氧化还原机制中的氧状态,这对电池研究至关重要。”

研究人员Venkat Viswanathan表示:“我们得到了确凿证据,以支持富锂电池材料中的阴离子氧化还原机制。我们的研究清楚地阐述富锂电池在原子层面的工作原理,并提出设计下一代正极的途径。高能量密度正极设计是电池领域的下一个发展前沿。”

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