电池技术突破:原子外观富含锂电池

富锂阴极

可视化富含锂的阴极。信贷:卡内基梅隆大学和东北大学

由于Volta首先堆叠了200年前,电池已经有了很长的路要走。虽然该技术继续从铅酸中的锂离子从铅酸中发展,但许多挑战仍然存在,类似于实现更高的密度和抑制树突生长。专家正在赛车解决了节能,全球需求的节能和安全的电池。

重型车辆和飞机的电气都需要电池,具有更多能量密度。研究人员团队认为,对于这些行业的电池技术产生重大影响是必要的。这种转变将利用富含锂的阴极的阴离子还原氧化机制。调查结果发表在自然标记首次在富锂的电池材料中观察到这种阴离子氧化还原反应的直接观察。

合作机构包括东北大学Carnegie Mellon University,Lappeenranta-Lahti大学(LUT)在芬兰,日本的机构,包括群马大学,日本同步辐射研究所(Jasri),横滨国立大学,京都大学和Ritsueikan大学。

富含锂的氧化物是有前途的阴极材料等级,因为它们已被证明具有更高的储存能力。但是,有一个“和问题”,电池材料必须满足 - 材料必须能够快速充电,稳定到极端温度,并可靠地循环成千上万的循环。科学家需要清楚地了解这些氧化物在原子水平上如何工作,以及他们的潜在电化学机制如何发挥作用,以解决这一问题。

正常的锂离子电池通过阳离子氧化还原工作,当金属离子改变其氧化态,因为锂插入或除去。在该插入框架内,每个金属离子只能储存一个锂离子。然而,富含锂的阴极可以存储更多。研究人员将其归因于阴离子氧化还原机制 - 在这种情况下,氧气氧化还原。这是符合材料的高容量的机制,与传统阴极相比,储能几乎加倍。虽然这种氧化还原机制已成为电池技术中的主要竞争者,但它表示材料化学研究的枢轴。yabovip2021

该团队列出了利用康顿散射的氧化还原机制提供了结论性证据,该现象是在与颗粒相互作用之后光子偏离直轨的现象(通常是电子)。研究人员在全球最大的第三代同步辐射设施春天8春季进行了复杂的理论和实验研究,由Jasri运营。

同步辐射由电子束加速到(几乎)光速时产生的窄,强大的电磁辐射光束组成,并且被磁场被迫在弯曲路径中行进。康普顿散射变得可见。

研究人员观察到如何对可逆和稳定的阴离子氧化还原活动的核心呈现的电子轨道可以进行成像和可视化,并且确定其特征和对称性。这个科学首先可以为未来电池技术进行更改。

虽然先前的研究已经提出了阴离子氧化还原机制的替代解释,但是它无法提供与氧化还原反应相关的量子机械电子轨道的清晰图像,因为这不能通过标准实验来测量。

研究团队有一个“哈!”当他们第一次看到在理论和实验结果之间的氧化还原性质中看到协议时的时刻。“我们意识到,我们的分析可以将负责氧化还原机制负责的氧气状态,这对电池研究来说是根本性重要的,”哈登哈菲斯解释说,这项工作在他的时间作为博士后研究,这项工作Carnegie Mellon助理。

“我们在Carnegie Mellon机械工程副教授Venkat Viswanathan表示,”我们有支持富含锂电池材料的证据。““我们的研究在原子秤上提供了富含锂电池的工作的清晰,并建议设计下一代阴极以实现电气航空的途径。高能量密度阴极的设计代表了电池的下一个边疆。“

参考:“富含锂电池材料的氧气轨道断裂重建”,Kosuke Suzuki,Bernardo Barbiellini,Naruki Tsuji,Naoaki Yabuuchi,Kentaro Yamamoto,Yukiharu Uchimoto,Yoshiharu Sakurai,Hiroshi Sakurai,Arun Bansil和VenkatasubramanianViswanathan,2021年6月9日,自然
DOI:10.1038 / s41586-021-03509-z

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