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              • 论文
              主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

              研究人员首次在富锂电池材料中直接观察到阴离子氧化还原反应

              2021-06-15

                自200年前 Volta 首次将铜和锌盘堆叠在一起以来,电池已经发展了很长一段路。尽管该技术不断从铅酸发展到锂离子,但仍存在许多挑战,例如实现更高的密度和抑制枝晶生长。专家们正在竞相解决全球对节能和安全电池日益增长的需求。

                

                重型车辆和飞机的电气化需要更高能量密度的电池。一组研究人员认为,要想对这些行业的电池技术产生重大影响,必须进行范式转变。这种转变将利用富锂正极中的阴离子还原-氧化机制。发表在《自然》杂志上的研究结果标志着首次在富锂电池材料中直接观察到这种阴离子氧化还原反应。

                

                合作机构包括卡内基梅隆大学、东北大学、芬兰拉彭兰塔-拉赫蒂工业大学(LUT),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、京都大学和立命馆大学。

                

                富锂氧化物是很有前途的正极材料类别,因为它们已被证明具有更高的存储容量。但是,电池材料必须满足一个“AND 问题”,材料必须能够快速充电、在极端温度下稳定,并且能够可靠地循环数千次。科学家们需要清楚地了解这些氧化物如何在原子水平上工作,以及它们潜在的电化学机制如何发挥作用,以解决这个问题。

                

                普通锂离子电池通过阳离子氧化还原工作,当金属离子随着锂的插入或移除而改变其氧化态时。在这个插入框架内,每个金属离子只能存储一个锂离子。然而,富含锂的阴极可以存储更多。研究人员将此归因于阴离子氧化还原机制,在这种情况下,氧氧化还原。这种机制归功于材料的高容量,与传统阴极相比,能量存储几乎翻了一番。尽管这种氧化还原机制已成为电池技术的主要竞争者,但它标志着材料化学研究的一个支点。

                

                该团队着手为利用康普顿散射的氧化还原机制提供确凿证据,这种现象是光子与粒子(通常是电子)相互作用后偏离直线轨迹的现象。研究人员在由 JASRI 运营的世界上最大的第三代同步加速器辐射设施 SPring-8 上进行了复杂的理论和实验研究。

                

                同步加速器辐射由狭窄而强大的电磁辐射束组成,当电子束被加速到(几乎)光速并被迫在磁场的弯曲路径上传播时,就会产生这些电磁辐射束。康普顿散射变得可见。

                

                研究人员观察了位于可逆和稳定阴离子氧化还原活动核心的电子轨道是如何成像和可视化的,并确定了它的特征和对称性。这一科学首创可能会改变未来电池技术的游戏规则。

                

                虽然之前的研究提出了阴离子氧化还原机制的替代解释,但它无法提供与氧化还原反应相关的量子力学电子轨道的清晰图像,因为这无法通过标准实验进行测量。

                

                当他们第一次看到理论和实验结果之间的氧化还原特性一致时。我们意识到,我们的分析可以对导致氧化还原机制的氧状态进行成像,这对电池研究至关重要,该研究的主要作者 Hasnain Hafiz 解释说,他在博士后研究期间进行了这项工作,也是卡内基梅隆大学的助理。

                

                我们有确凿的证据支持富锂电池材料中的阴离子氧化还原机制,卡内基梅隆大学机械工程副教授 Venkat Viswanathan 说,我们的研究清楚地展示了富锂电池在原子尺度上的工作原理,并提出了设计下一代阴极以实现电动航空的途径。高能量密度阴极的设计代表了电池的下一个前沿。


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                责任编辑:宫在芹
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