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研究人員獲得富鋰電池陰極新發(fā)現(xiàn) 有助于提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程
時(shí)間:2021-03-04 08:28來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源： 法拉第研究所）
據(jù)外媒報(bào)道，法拉第研究所CATMAT項(xiàng)目的部分成員、牛津大學(xué)的科學(xué)家們?cè)谘芯肯乱淮帢O材料時(shí)，對(duì)富鋰陰極材料中氧-氧化還原過程有了新的理解，并提出可提高鋰離子電池能量密度的方法。
牛津大學(xué)教授兼法拉第研究所首席科學(xué)家Peter Bruce教授表示：“在不斷提高鋰離子電池能量密度的過程中，能夠利用氧-氧化還原陰極的潛力非常重要。此外，與目前商用富鎳陰極相比，氧-氧化還原陰極也能帶來更大改善的。深入了解氧-氧化還原的基本機(jī)理是制定策略、減少此類材料當(dāng)前局限性的重要舉措，可以推動(dòng)其潛在商業(yè)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。”
法拉第研究所首席執(zhí)行官Pam Thomas表示：“在英國(guó)電氣化競(jìng)賽中找到開創(chuàng)性解決方案，需要針對(duì)行業(yè)相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行大規(guī)模的集中研究。法拉第研究所研究人員此次的發(fā)現(xiàn)開啟并加速了對(duì)電池材料研究方法的探索，從而提升未來電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。通過使用英國(guó)Diamond Light Source和Royce Institute的先進(jìn)設(shè)備，此次突破才得以實(shí)現(xiàn)，這也證明維系英國(guó)研究基礎(chǔ)設(shè)施非常重要。”
提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程需要電池材料在較高的電壓下存儲(chǔ)更多的電荷，從而實(shí)現(xiàn)高“能量密度”。可增加鋰離子陰極材料能量密度的方法比較有限，如目前大多數(shù)陰極材料采用層狀過渡金屬氧化物，并添加鈷、鎳和錳。還有一種研究方法可將電荷存儲(chǔ)在氧化物離子以及過渡金屬離子上。
多年來，使用這種氧-氧化還原材料提高陰極能量密度也是比較有潛力的方法。但是這種材料在首次充電時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變化（主要為不可逆變化），并導(dǎo)致之后的放電充電循環(huán)電壓明顯降低，從而阻礙了其在商用電池的潛在應(yīng)用。
為發(fā)現(xiàn)氧-氧化還原反應(yīng)機(jī)理并解釋上述結(jié)構(gòu)變化，全球的科學(xué)家們已開展了一段時(shí)間的研究，但仍然很難做出清晰解釋。諸如共振非彈性X射線散射（RIXS）等技術(shù)在過去被成功地用于探測(cè)氧的變化。但通過與Diamond Light Source的研究人員合作，法拉第研究所的研究人員成功揭示出RIXS特征，表明大部分材料中的氧化物是分子氧，而非過氧化物或其他化合物。
巴斯大學(xué)和CATMAT首席研究員Saiful Islam教授表示：“計(jì)算模型證明，分子氧的變化可解釋兩種觀察到的電化學(xué)反應(yīng)，一是首次放電時(shí)的電壓降低問題，二是結(jié)構(gòu)變化問題。以上兩種反應(yīng)在材料的大部分地方可以得到解釋。這種將分子氧和電壓損失聯(lián)系在一起的統(tǒng)一模型，可幫助研究人員提出切實(shí)可行的策略，避免氧-氧化還原引起的不穩(wěn)定性，從而為實(shí)現(xiàn)更高可逆的高能量密度鋰離子陰極提供可能途徑。”
論文共提出六種極具潛力的策略，目前均在CATMAT項(xiàng)目進(jìn)行研究。理解機(jī)械原理可加快這些領(lǐng)域的研究速度，為迭代、反復(fù)試驗(yàn)和錯(cuò)誤嘗試提供替代方案。在新研究方向上，研究人員正在開發(fā)一種獨(dú)特的“上層結(jié)構(gòu)”，控制過渡金屬層中鋰原子的順序，從而提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并減少電壓損失。
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