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對單晶電極的研究可以加快新電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
時(shí)間:2020-05-05 14:13來源:科技報(bào)告與資訊 作者:綜合報(bào)道
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科學(xué)博物館中展示的鉆石和其他晶體令人賞心悅目。造成它們有時(shí)令人眼花繚亂的幾何形狀和顏色的原因是原子的高度有序排列。對于電池電極中的晶體材料，其有序的微觀結(jié)構(gòu)具有實(shí)用的優(yōu)勢，可簡化充電和放電過程中電極內(nèi)的離子遷移。
美國能源部（DOE）阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家制造并測試了一種單晶電極，在全球范圍內(nèi)為電動(dòng)汽車，消費(fèi)電子產(chǎn)品和其他應(yīng)用開發(fā)的高級電池取得關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。來自西北大學(xué)和芝加哥伊利諾伊大學(xué)的研究人員在該項(xiàng)目上進(jìn)行了合作。
先進(jìn)電池中的電極材料是“多晶”的，這意味著它們具有許多不同取向的晶體區(qū)域。由于多晶電極的制造相對簡單，科學(xué)家過去將電池研究的重點(diǎn)放在了這些材料的實(shí)驗(yàn)上，這些材料在有序結(jié)構(gòu)中充滿了各種缺陷，這些缺陷通常會(huì)影響性能。
阿貢材料科學(xué)系的助理科學(xué)家Sanja Tepavcevic指出：“我們認(rèn)識(shí)到，單晶在確定有前途的新方法方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這些新方法可以在原子和分子水平上理解控制多晶電極電池中充放電過程的化學(xué)變化“。
作為研究其單晶陰極的模型系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)選擇了正在開發(fā)的鈉離子電池來與當(dāng)前的鋰離子電池競爭。這些電池的主要吸引力在于，鈉元素比鋰離子電池中使用的鋰要豐富得多。
該小組準(zhǔn)備了鈉-銥氧化物（Na2IrO3）的單晶，并將其用作小型測試電池中的陰極材料。為了進(jìn)行比較，他們還測試了具有多晶陰極的類似電池。通過利用阿貢的科學(xué)設(shè)施，特別是美國能源部科學(xué)用戶辦公室的高級光子源（APS），他們可以確定晶體中每個(gè)原子在不同的電池充放電狀態(tài)下的精確位置。
Tepavcevic說：“如果沒有APS的特殊材料表征資源，這個(gè)項(xiàng)目根本不可能實(shí)現(xiàn)。我們的團(tuán)隊(duì)成員Jennifer Hong Zheng在將單晶體生長到精確規(guī)格方面具有世界一流的能力，這也使我們受益匪淺。”
在測試電池的充放電循環(huán)過程中，有關(guān)陰極化學(xué)的知識(shí)很多。特別是，研究小組調(diào)查了NaIrO3端點(diǎn)結(jié)構(gòu)超出預(yù)期的額外容量的原因。Tepavcevic說：“使用我們的單晶，我們可以將表面效應(yīng)與本體效應(yīng)分開，這在早期的多晶材料研究中是不明顯的。” 研究小組證明，額外的容量來自表面反應(yīng)，而不是先前認(rèn)為的大部分材料。
對于改進(jìn)電池設(shè)計(jì)而言，重要的是要知道在循環(huán)過程中如何以及為什么會(huì)發(fā)生材料變化。通過測試結(jié)果，研究小組確定了在充電過程中形成的三個(gè)不同相的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)以前是未知的。他們還發(fā)現(xiàn)，由于在充電時(shí)形成了新的有害相，因此電池容量隨循環(huán)而減弱，這種有害相在放電過程中持續(xù)存在，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。
“我們從單項(xiàng)電極中學(xué)到的鈉離子電池知識(shí)比項(xiàng)目開始時(shí)想象的要多，”阿貢材料科學(xué)部門的杰出研究員John Mitchell說。“顯然，單晶打開了一個(gè)窗口，可以更好地了解化學(xué)和電子轉(zhuǎn)變，這些轉(zhuǎn)變控制著所有類型電池的能量存儲(chǔ)和釋放，以及它們隨著循環(huán)的降解機(jī)理。 有了這些知識(shí)，未來的電池研究人員將能夠制定設(shè)計(jì)規(guī)則，以合成具有所需功能的新型和改良型多晶材料。”
論文標(biāo)題為《Fundamental Insights from a SingleCrystal Sodium Iridate Battery》, 發(fā)表在《Advanced Energy Materials》上。
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