研究人員獲得富鋰電池陰極新發現 有助于提高電動汽車續航里程
時間:2021-03-04 08:28來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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（圖片來源： 法拉第研究所）
據外媒報道，法拉第研究所CATMAT項目的部分成員、牛津大學的科學家們在研究下一代陰極材料時，對富鋰陰極材料中氧-氧化還原過程有了新的理解，并提出可提高鋰離子電池能量密度的方法。
牛津大學教授兼法拉第研究所首席科學家Peter Bruce教授表示：“在不斷提高鋰離子電池能量密度的過程中，能夠利用氧-氧化還原陰極的潛力非常重要。此外，與目前商用富鎳陰極相比，氧-氧化還原陰極也能帶來更大改善的。深入了解氧-氧化還原的基本機理是制定策略、減少此類材料當前局限性的重要舉措，可以推動其潛在商業應用的實現。”
法拉第研究所首席執行官Pam Thomas表示：“在英國電氣化競賽中找到開創性解決方案，需要針對行業相關目標進行大規模的集中研究。法拉第研究所研究人員此次的發現開啟并加速了對電池材料研究方法的探索，從而提升未來電動汽車續航里程。通過使用英國Diamond Light Source和Royce Institute的先進設備，此次突破才得以實現，這也證明維系英國研究基礎設施非常重要。”
提升電動汽車續航里程需要電池材料在較高的電壓下存儲更多的電荷，從而實現高“能量密度”。可增加鋰離子陰極材料能量密度的方法比較有限，如目前大多數陰極材料采用層狀過渡金屬氧化物，并添加鈷、鎳和錳。還有一種研究方法可將電荷存儲在氧化物離子以及過渡金屬離子上。
多年來，使用這種氧-氧化還原材料提高陰極能量密度也是比較有潛力的方法。但是這種材料在首次充電時會發生結構變化（主要為不可逆變化），并導致之后的放電充電循環電壓明顯降低，從而阻礙了其在商用電池的潛在應用。
為發現氧-氧化還原反應機理并解釋上述結構變化，全球的科學家們已開展了一段時間的研究，但仍然很難做出清晰解釋。諸如共振非彈性X射線散射（RIXS）等技術在過去被成功地用于探測氧的變化。但通過與Diamond Light Source的研究人員合作，法拉第研究所的研究人員成功揭示出RIXS特征，表明大部分材料中的氧化物是分子氧，而非過氧化物或其他化合物。
巴斯大學和CATMAT首席研究員Saiful Islam教授表示：“計算模型證明，分子氧的變化可解釋兩種觀察到的電化學反應，一是首次放電時的電壓降低問題，二是結構變化問題。以上兩種反應在材料的大部分地方可以得到解釋。這種將分子氧和電壓損失聯系在一起的統一模型，可幫助研究人員提出切實可行的策略，避免氧-氧化還原引起的不穩定性，從而為實現更高可逆的高能量密度鋰離子陰極提供可能途徑。”
論文共提出六種極具潛力的策略，目前均在CATMAT項目進行研究。理解機械原理可加快這些領域的研究速度，為迭代、反復試驗和錯誤嘗試提供替代方案。在新研究方向上，研究人員正在開發一種獨特的“上層結構”，控制過渡金屬層中鋰原子的順序，從而提高結構穩定性并減少電壓損失。
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