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研究人員探討提高鋰離子電池中LiVO3正極的工作容量
時間:2021-11-16 09:14來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：AZOM）
隨著化石燃料供應(yīng)減少和氣候惡化，電網(wǎng)儲能部門和汽車行業(yè)都在加大力度，開發(fā)強(qiáng)大而高效的儲能技術(shù)。據(jù)外媒報道，香港城市大學(xué)（City University of Hong Kong）能源與環(huán)境學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究人員開展一項新研究，探討優(yōu)化鋰離子電池中LiVO3正極工作容量的方法。
開發(fā)具有更高能量密度的鋰離子電池，是增加電動汽車?yán)m(xù)航里程距離和競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵因素。最有希望的方法之一是，拓寬鋰離子電池的充電截止電壓（charge cut-off voltage），讓制造商從材料中提取更多的鋰，從而提高鋰離子電池的容量。對于這一過程而言，最明顯的障礙是，從層狀結(jié)構(gòu)中移除更多的鋰，會導(dǎo)致晶格不穩(wěn)定。隨著電池循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致容量迅速衰減。
使用富鋰過渡金屬氧化物，有望解決這一問題。這些材料在充電至更高電壓時，能夠提供出色的比容量，據(jù)報告充電至4.8 V.h 時，比容量超過250 mAh g−1或更高。這些富鋰材料之所以具有優(yōu)勢，主要是因為對其充電時，激活了氧陰離子的陰離子氧化還原反應(yīng)。這些氧陰離子可以作為過渡金屬轉(zhuǎn)移電子，并被鋰取代。
該研究提出優(yōu)化這一過程的方法。通過更好地穩(wěn)定 LIB正極配置中使用的氧原子和過渡金屬的晶體結(jié)構(gòu)，幫助緩解若干容量衰減和電壓衰減問題。值得一提的是，這些晶格內(nèi)的結(jié)構(gòu)排列對原子穩(wěn)定性具有明顯的影響。過渡金屬氧化物材料之間的的鍵更短，當(dāng)這些過渡金屬以四面體配位時，而不是以八面體配位，能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的鍵能。這是優(yōu)化正極材料的關(guān)鍵考慮因素。這些材料在經(jīng)歷陰離子氧化還原反應(yīng)時可能更穩(wěn)定。然而，迄今為止對其在電池材料中的應(yīng)用研究甚少。
釩基材料具有轉(zhuǎn)移電荷的能力，因而成為電池應(yīng)用的熱門選擇�？紤]到這些因素，研究人員探討由VO4四面體結(jié)構(gòu)組成的單斜晶系LiVO3的容量，以適應(yīng)高截止電壓。這些材料起初被充電至4.8 V。在充電過程中，總共可以從材料中除去0.56 mol的鋰。這提供了136 mAh g−1的可逆容量，平均電勢為3.03 V（最低2.4 V，最高4.8 V）。
研究人員利用先進(jìn)的非原位X射線吸收光譜(XAS)和X射線光電子能譜(XPS)技術(shù)，測量和觀察這一過程。據(jù)發(fā)現(xiàn)，陰離子氧化還原反應(yīng)過程，很可能在初始充電至4.8V時被激活，從而支持良好的充電容量。在本項研究中，經(jīng)過100次循環(huán)后，該材料甚至能保持其容量的93%。即使考慮到陰離子氧化還原反應(yīng)破壞這些材料的不穩(wěn)定傾向，仍具有卓越的穩(wěn)定性。材料的四面體配位是其保持穩(wěn)定性的主要因素。通過非原位同步輻射X射線衍射（XRD），研究人員觀察到，當(dāng)鋰轉(zhuǎn)移出去時，體積變化可以忽略不計，僅為0.21%。
不同電壓范圍的實(shí)驗對容量保持率的影響很小，據(jù)測定在1.5V和4.8V之間測試LiVO3，能使可用容量擴(kuò)展到358mAh g−1，平均電勢為2.55V，能量密度高達(dá)912.9 Wh kg−1。
本項研究最突出的發(fā)現(xiàn)是，利用陰離子氧化還原反應(yīng)和先進(jìn)的四面體配位的優(yōu)勢，可以提高材料的容量和工作電壓。
未來開發(fā)突破性電池技術(shù)，以及提高電池容量，是實(shí)現(xiàn)電動汽車主流化和更可持續(xù)交通的基石。這項研究為以后的研究提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)，以進(jìn)一步其他新型正極材料，用于電池應(yīng)用。目前正在進(jìn)行的優(yōu)化電極和電解質(zhì)的研究，也具有很大的潛力，有望充分減少由反復(fù)充電循環(huán)造成的容量損失，使其達(dá)到最低點(diǎn)。
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