美国制造出电极高性能材料 可提高充电速度

资讯 (34) 3周前

十年来,锂离子电池的研发突飞猛进,性能不断提升。然而,相关研究仍然面临着一个重大挑战,即更快的充电速度。一旦这个问题得到解决,电动汽车的采用将会大大加快。

据国外媒体报道,博伊西州立大学和加州大学圣地亚哥分校领导的研究小组采用了非常规方法来解决上述问题。利用能源部阿贡国家实验室的资源,研究人员创造了一种高性能的电池电极材料:五氧化二铌。这种材料具有新的晶体结构,有望提供出色的存储容量和充电速度。

充电过程中,锂离子从正极(阴极)移动到负极(阳极,通常由石墨制成)。在高充电速率下,锂金属倾向于在石墨表面上积累。这种称为电镀的反应会降低电池的性能,并可能导致电池短路、过热和起火。

五氧化二铌不容易电镀,所以可能比石墨更安全耐用。此外,五氧化二铌的原子可以排列成许多不同的稳定构型,重新配置不需要太多能量。这使得研究人员能够发现新的结构来提高电池性能。

在这项研究中,研究人员用五氧化二铌作为电极材料建造了一个纽扣电池。五氧化二铌具有无定形结构,即原子无序排列。当电池反复充放电时,这种无序的结构会转变为有序的晶体结构,而这种特殊的结构此前从未在科学文献中报道过。

与无序排列相比,晶体结构使锂离子在充电过程中更容易、更快地传输到正极。这一发现表明该材料有望实现快速充电,其他测量表明它也能储存大量电荷。

阿贡纳米材料中心(CNM)的科学家刘利用透射电子显微镜技术验证了从无定形到结晶的结构转变。这项技术通过材料样本发送高能电子束,并基于电子和样本之间的相互作用创建数字图像。这些图像显示了原子的排列。

刘说:“由于电子束聚焦在样品的一个小区域,这项技术可以提供关于这个特定区域的详细信息。”。

Agong高级光子源(APS)的物理学家周华利用同步加速器X射线衍射技术证实了这种结构变化,包括使用高能X射线束撞击样品,这些X射线束被材料中原子的电子散射。探测器将测量这种散射来表征材料结构。

X射线衍射可以有效地提供整个材料样品整体结构变化的信息,有助于研究电池电极材料,因为它们的结构往往因地区而异。

周说:“通过用X射线束以不同角度照射阳极材料,我证实了五氧化二铌的表面和内部都均匀结晶。”。

这项研究还使用了阿尔贡其他实验室的设备来表征这些材料。阿贡电化学发现实验室的材料科学家贾斯汀·康奈尔(Justin Connell)使用X射线光电子能谱对阳极材料进行了评估。康奈尔将X射线束注入阳极,并以一定的能量从阳极喷射出电子。

康奈尔说:“这项技术表明,当电池充电时,铌原子会获得多个电子,这表明阳极具有很高的存储容量。”

物理学家李成锡也评估了铌的电子得失。他使用了X射线吸收光谱技术,包括用强烈的同步加速器X射线束撞击阳极材料,并测量X射线在材料中的透射和吸收。

Lee说:“这项技术提供了整个阳极上电子状态的全貌,证实了铌获得了多个电子。”

用传统的合成方法,如加热加压物料,很难制备出高性能的结晶五氧化二铌。在这项研究中,非常规合成方法,即充电和放电的电池,可以用来制造创新的电池材料。这种方法甚至可能支持其他领域新材料的制造,如半导体和催化剂。

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