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研究人员开发新理论 解释锂离子电池能效低的原因

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58京牌 ,包括两名斯科尔科沃理工学院(Skoltech)科学家在内的国际研究小组通过实验证明,长期以来对锂离子电池能效低的解释不成立。研究人员表示,这一现象涉及到正极中氧和过渡金属原子之间缓慢的电子转移,而不是原子本身进行迁移。

 (图片来源:skoltech)

目前和装置中使用的锂离子电池的容量,接近带富锂氧化物正极的同类产品所能提供容量的一半。而后者存在效率低下的技术问题,充电时耗费的电力要远超过电池最终提供的电力。随着时间的推移,尤其是在高耗能应用中,电力损耗逐渐累加,使这类电池难以投入商用。

为了挖掘带富锂氧化物正极的电池的潜力,研究人员必须了解导致其效率低下的潜在机制,准确找出损失能量的去向。以前对这一现象的解释,技术上称为电压滞后。最近的研究提供实验性证据,对以前的内容加以否定,并提出新的理论解释。

当锂离子电池充电时,锂离子在两个电极之间移动。在向负极移动时,它们会在正极上留下空位;而在另一半的循环过程中,锂离子返回时伴随着能量消耗,例如为手机充电。研究人员Anatoly Morozov表示:“在此期间,正极中的一些过渡金属原子可能暂时侵入空位,然后再撤回,这一过程耗费了宝贵的能量。关于电压滞后的旧理论大致如此。”

为了验证这一解释,研究人员在Skoltech高级成像核心设施(Skoltech’s Advanced Imaging Core Facility),在电池充放电循环的不同阶段,使用透射电子显微镜来监测富锂电池正极的原子结构。该正极由化学式为Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 的材料制成。然而,未发现铁或钛原子迁移到锂空位的明显迹象,这表明其他一些过程正在吸收能量。

研究人员 Artem Abakumov表示:“这一发现激发研究团队从其他地方寻找电压滞后的起因。引起这种现象的不是阳离子的可逆迁移,而是氧原子和过渡金属原子之间可逆的电子转移。当电池充电时,铁中的一些电子被氧原子劫持,后来又返回。这种可逆转移过程消耗了一些能量。

“从电子转移的角度理解电压滞后,可能对缓解这种不受欢迎的效应产生直接影响,从而使下一代锂离子电池的能量密度达到创纪录水平,为电动汽车和便携式电子产品供电。为了实现下一步的目标,化学家们可以在元素周期表和‘化学柔软度’等概念的指导下,通过改变阳离子-阴离子共价键来操纵电子转移势垒。”

Morozov表示:“这证明了先进的透射电子显微镜在破译极端复杂的局部结构方面的能力。Skoltech的年轻研究人员能够直接接触到如同像差校正电子显微镜(aberration-corrected electron microscopes)这样的尖端设备,并有机会接受进一步的培训,这真是太棒了。这使我们能够与学术界和产业界的国际同行合作,为顶级电池研究做出贡献。”

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