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研究人员探讨提高锂离子电池中LiVO3正极的工作容量

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58京牌 随着化石燃料供应减少和气候恶化,电网储能部门和汽车行业都在加大力度,开发强大而高效的储能技术。,香港城市大学(City University of Hong Kong)能源与环境学院等机构的研究人员开展一项新研究,探讨优化锂离子电池中LiVO3正极工作容量的方法。

(图片来源:AZOM)

开发具有更高能量密度的锂离子电池,是增加续航里程距离和竞争优势的关键因素。最有希望的方法之一是,拓宽锂离子电池的充电截止电压(charge cut-off voltage),让制造商从材料中提取更多的锂,从而提高锂离子电池的容量。对于这一过程而言,最明显的障碍是,从层状结构中移除更多的锂,会导致晶格不稳定。随着电池循环,进而导致容量迅速衰减。

使用富锂过渡金属氧化物,有望解决这一问题。这些材料在充电至更高电压时,能够提供出色的比容量,据报告充电至4.8 V.h 时,比容量超过250 mAh g−1或更高。这些富锂材料之所以具有优势,主要是因为对其充电时,激活了氧阴离子的阴离子氧化还原反应。这些氧阴离子可以作为过渡金属转移电子,并被锂取代。

该研究提出优化这一过程的方法。通过更好地稳定 LIB正极配置中使用的氧原子和过渡金属的晶体结构,帮助缓解若干容量衰减和电压衰减问题。值得一提的是,这些晶格内的结构排列对原子稳定性具有明显的影响。过渡金属氧化物材料之间的的键更短,当这些过渡金属以四面体配位时,而不是以八面体配位,能够产生更强的键能。这是优化正极材料的关键考虑因素。这些材料在经历阴离子氧化还原反应时可能更稳定。然而,迄今为止对其在电池材料中的应用研究甚少。

钒基材料具有转移电荷的能力,因而成为电池应用的热门选择。考虑到这些因素,研究人员探讨由VO4四面体结构组成的单斜晶系LiVO3的容量,以适应高截止电压。这些材料起初被充电至4.8 V。在充电过程中,总共可以从材料中除去0.56 mol的锂。这提供了136 mAh g−1的可逆容量,平均电势为3.03 V(最低2.4 V,最高4.8 V)。

研究人员利用先进的非原位X射线吸收光谱(XAS)和X射线光电子能谱(XPS)技术,测量和观察这一过程。据发现,阴离子氧化还原反应过程,很可能在初始充电至4.8V时被激活,从而支持良好的充电容量。在本项研究中,经过100次循环后,该材料甚至能保持其容量的93%。即使考虑到阴离子氧化还原反应破坏这些材料的不稳定倾向,仍具有卓越的稳定性。材料的四面体配位是其保持稳定性的主要因素。通过非原位同步辐射X射线衍射(XRD),研究人员观察到,当锂转移出去时,体积变化可以忽略不计,仅为0.21%。

不同电压范围的实验对容量保持率的影响很小,据测定在1.5V和4.8V之间测试LiVO3,能使可用容量扩展到358mAh g−1,平均电势为2.55V,能量密度高达912.9 Wh kg−1。

本项研究最突出的发现是,利用阴离子氧化还原反应和先进的四面体配位的优势,可以提高材料的容量和工作电压。

未来开发突破性电池技术,以及提高电池容量,是实现电动汽车主流化和更可持续交通的基石。这项研究为以后的研究提供了坚实的基础,以进一步其他新型正极材料,用于电池应用。目前正在进行的优化电极和电解质的研究,也具有很大的潜力,有望充分减少由反复充电循环造成的容量损失,使其达到最低点。

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