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X射线研究重塑了电池材料从阴极到催化剂的作用

X射线仪器 电池材料
发布:2021-04-09 14:31:12    

在美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的一个国际团队使用一种独特的X射线仪器来学习有关富含锂的电池材料的新知识,这些新知识因其扩展范围的潜力而受到广泛研究电动汽车和电子设备的操作。

研究人员将研究重点放在了一种名为锂锰氧化物(Li2MnO3)的材料上,这是所谓的“富锂”材料的极端示例,该材料族中可能含有最大量的锂。电池界最近发展的原则是,由富含锂的材料组成的电池电极可以提供高电压,高容量的运行,因为材料中的氧参与可逆的化学“氧化还原”反应,在该反应中氧原子循环丢失并获取电子,帮助电池具有更高的存储和使用电荷的能力。

 

伯克利实验室高级光源高级科学家杨万里正在研究共振非弹性X射线散射(RIXS)系统。杨将RIXS技术应用于最近的焦耳研究中

然而,这项工作表明,在电池运行期间,可逆反应实际上并不涉及Li2MnO3中的氧气。相反,对材料中其他元素锰的进一步分析显示,之所以可以循环使用该材料,是因为在第一次装料后,就异常且完全地切换到了容量相对较低的锰基反应中。这一发现为富锂族之外的高能电极材料的探索铺平了道路。

此外,研究团队对在材料表面观察到碳酸盐化合物“部分可逆”的形成和消失感到特别惊讶。这些高反应性的表面性质表明该材料可以充当催化剂,并可以促进锂-空气和锂-二氧化碳电池等奇特的下一代电池所需的可逆化学反应。在Li2MnO3表面观察到的碳酸盐化合物包含与氧原子键合的碳,这意味着富含锂的材料可能是涉及二氧化碳气体的有效催化剂。

杨万里说:“我们都感到令人兴奋的是,通过对该材料的基础光谱学研究,我们不仅弄清了这种长期争论的材料的反应机理,而且发现了其在概念上与催化剂不同的用途” ,是伯克利实验室高级光源(ALS)的一名资深科学家,他将一种称为共振非弹性X射线散射(RIXS)的技术用于此类电池研究。他还担任过研究合著者,是大型国际合作的一部分。该研究于3月4日发表在《焦耳》杂志上。

“一些发现表明,这种材料由于具有高反应活性的表面而实际上更适合用作催化剂。因此,我们的电池材料合作者对其进行了测试,发现它确实对锂-二氧化碳和锂-空气电池具有优越的性能,”他加了。

研究人员在研究中指出,与使用典型的基于氧化物的催化剂的类似系统相比,基于Li2MnO3催化剂的高容量碳酸盐循环具有优异的可逆性。这一结果也为一整类富含碱的材料打开了大门,这些材料将用作其他应用(例如燃料电池)的催化剂。

这项研究的关键是在ALS上建立一条专门的光束线,该光束线可以一次分解一个化学反应,从而找出哪些元素参与或不参与反应。ALS是一种同步加速器,可以产生从红外线到X射线的各种“颜色”或波长范围的光。

研究人员使用RIXS在充放电循环的不同阶段绘制了样品的化学图。他们没有发现许多科学家预期该材料可逆的氧还原反应的证据。相反,他们发现氧气仅参与单向氧化反应以及非常活跃的表面反应。

杨指出,这项研究推翻了几种了解电池电极中氧还原活性的流行模型,但是由于研究人员发现氧还原反应的行为,使人们对可以利用氧还原反应的低成本材料类型开辟了新思路。实际上,富锂电极中的碳原子含量与当今使用的常规电极相同。利用氧气的氧化还原反应可以潜在地使电池具有高电压,高容量的性能。

伯克利实验室的其他科学家也参加了这项研究。SLAC国家加速器实验室;斯坦福大学; 北京大学深圳研究生院,天津师范大学,东北大学和中国科学院。

这项工作得到了美国能源部(DOE)科学办公室,美国DOE科学用户设施项目的DOE数据,人工智能和机器学习,中国国家重点R&D计划,北京市科学技术委员会的支持。斯坦福大学的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室材料科学与工程系的支持。

Advanced Light Source是伯克利实验室(Berkeley Lab)的DOE科学办公室用户设施。

劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)及其科学家在1931年成立时就坚信最大的科学挑战最好由团队解决,并获得14项诺贝尔奖。如今,伯克利实验室的研究人员开发了可持续的能源和环境解决方案,创建了有用的新材料,推动了计算的前沿,并探索了生命,物质和宇宙的奥秘。来自世界各地的科学家依靠实验室的设施进行自己的发现科学。伯克利实验室是一个多程序国家实验室,由加利福尼亚大学为美国能源部科学办公室管理。

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