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伯克利国家实验室使用独特X射线仪研究富锂电池材料

X射线仪 锂电池
发布:2021-04-15 14:31:33     来源:盖世汽车

据外媒报道,美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的研究人员使用独特X射线仪对富锂电池材料进行研究。由于该材料在提高电动汽车的续航里程及延长电子设备工作时长方面具有较大潜力,因此有很多人员都在研究该材料。

研究人员将重点研究“富锂”材料的极端示例锂锰氧化物(Li2MnO3)。而该材料所含锂元素为其此种材料族中之最。电池界最新研发的原则是,由于材料中的氧会参与可逆的化学“氧化还原”反应,且在该反应中,氧原子会循环失去及获得电子,因此富锂材料电池电极可支持高电压、高容量运行,从而提高电池的储存和放电能力。

 
(图片来源:伯克利国家实验室)

但此次试验表明,电池运行期间,Li2MnO3中的氧并不参与可逆反应,相反,对该材料中锰的进一步研究表明,该材料可被循环使用的原因是第一次充电后,电池内部会发生异常,完全切换至的锰基反应,且容量较低。这一发现为富锂材料族外高能量电极材料的探索铺平了道路。

此外,研究团队还对在材料表面观察到碳酸盐化合物的形成和消失是“部分可逆”,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,且可以促进锂-空气和锂-二氧化碳电池等创新型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含有与氧原子键合的碳,表明富锂材料可能是二氧化碳气体相关反应的有效催化剂。

伯克利国家实验室高级光源(Advanced Light Source,ALS)科学家Wanli Yang表示:“通过对该材料进行基础光谱学研究,我们明白了该饱受争议材料的反应机制,还发现了其作为催化剂的不同概念应用,这令我们十分兴奋。”

 
(图片来源:伯克利国家实验室)

他还补充道:“一些发现表明,由于具有高反应活性的表面,这种材料实际上更适合用作催化剂。因此我们的电池材料合作伙伴将其用作催化剂,结果发现它确实能够提高锂-二氧化碳和锂-空气电池的性能。”

研究人员指出,与具有典型基于氧化物的催化剂的同类系统相比,基于Li2MnO3的催化剂的高容量碳酸盐循环的可逆性更高。该结果证明,该类富碱材料可被用作其他应用的催化剂,例如燃料电池。

此项研究的关键在于在ALS建立一条专门的光束线,可一次将一个化学反应分解为一个元素,从而找出哪些元素参与或未参与反应。ALS是一种同步加速器,可发出各种“颜色”或波长(从红外线到X射线)的光。

研究人员使用RIXS(X-ray scattering,X光散射)在充放电循环的不同阶段绘制了样品的化学反应图,但并未发现该材料会发生可逆氧气氧化还原反应的迹象,反而是发现氧仅参与了单向氧化反应,以及非常活跃的表面反应。

Yang指出,此项研究推翻了理解电池电极中氧还原活性的几种普遍模型,同时也发现,实际上富锂电极中的氧气氧化还原反应与现今使用的传统电极中的一样,为人们开发发生氧气氧化还原反应的低成本材料类型提供了新思路。利用氧气的氧化还原反应可使电池的电压和容量更高。

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