當(dāng)前位置: 電池聯(lián)盟網(wǎng) > 前沿 >
研究發(fā)現(xiàn)：電極材料出現(xiàn)中間相 導(dǎo)致鋰離子電池容量衰減
時(shí)間:2021-08-20 08:44來源:蓋世汽車 作者:Elisha
點(diǎn)擊:
次
（圖片來源：布魯克海文實(shí)驗(yàn)室）
金屬氧化物具有較高的存儲(chǔ)容量，被視為很有前途的下一代鋰離子電池轉(zhuǎn)換型電極材料。轉(zhuǎn)換型電極材料可發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在與鋰離子反應(yīng)時(shí)，轉(zhuǎn)化成全新的產(chǎn)物。
現(xiàn)有商用電池基于一種完全不同的機(jī)制，稱為插層(intercalation)。美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室功能納米材料中心（CFN）電子顯微鏡組的科學(xué)家Sooyeon Hwang表示：“在插層過程中，鋰可逆性嵌入電極材料，以及從電極材料中脫嵌，同時(shí)不破壞晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于高度穩(wěn)定的材料來說，只有數(shù)量有限的鋰離子可以參與。因此，其容量相對(duì)低于轉(zhuǎn)換型材料。”
韓國(guó)京浦國(guó)立大學(xué)（Kyungpook National University）的助理教授、電化學(xué)和X射線吸收光譜學(xué)專家Ji Hoon Lee表示：“采用金屬氧化物電極材料，可以使更多的鋰離子參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而提升電池容量。然而，這些材料的晶體結(jié)構(gòu)與其原始狀態(tài)完全不同，這會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定因素，如在多次充放電循環(huán)后出現(xiàn)容量衰減等。”
在電池循環(huán)過程中金屬氧化物電極發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。
多年來，Hwang和來自CFN及其合作機(jī)構(gòu)的同事，一直在研究轉(zhuǎn)換型電極材料。此前，研究人員在高電流下研究氧化鐵電極，發(fā)現(xiàn)其在長(zhǎng)期循環(huán)過程中會(huì)出現(xiàn)“動(dòng)力學(xué)障礙”，導(dǎo)致容量衰減。跟真電池一樣，在高電流下，這種電池的充放電速度相對(duì)較快。Hwang表示：“如果循環(huán)太快，電極材料中可能出現(xiàn)鋰梯度。例如，在一個(gè)位置嵌入或脫出的鋰，可能比另一個(gè)位置多。”
據(jù)外媒報(bào)道，現(xiàn)在，由Hwang和Lee共同領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，包括來自CFN化學(xué)部和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室國(guó)家同步輻射光源II(NSLS-II)的科學(xué)家，在充放電后，通過在更溫和的低電流和恒壓條件下來運(yùn)行電池，消除了這些動(dòng)力學(xué)障礙。盡管實(shí)驗(yàn)和真實(shí)條件存在差距，了解電極材料的基本層面行為，仍有助于進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，制造性能更好的電池。
基于這種情況，研究人員在鋰離子半電池中，測(cè)試兩種無毒且使用廣泛的金屬氧化物之一，即氧化鎳或氧化鐵材料。Hwang表示：“在最初的研究中，我們的目標(biāo)是通過簡(jiǎn)單的電化學(xué)測(cè)試，了解鋰嵌入和脫嵌的基本機(jī)制。未來的研究需要使用帶兩個(gè)電極的全電池。”
電化學(xué)測(cè)試表明，在10次循環(huán)過程中，電池的電壓分布和容量存在顯著差異。為了表征循環(huán)電極材料的變化，該團(tuán)隊(duì)通過三條NSLS-II光束線，包括快速X射線吸收和散射(QAS)、對(duì)分布函數(shù)(PDF)和X射線粉末衍射(XPD)，并在CFN進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過QAS光束線，可以提供每種金屬在不同充放電狀態(tài)下的化學(xué)信息，包括氧化態(tài)。PDF和XPD光束線，很適合用于確定晶體結(jié)構(gòu)，PDF對(duì)原子鍵的局部配置特別敏感。
從這些X射線同步加速器研究中，研究小組觀察到，鎳在氧化鎳中的還原和氧化(氧化還原)反應(yīng)，和鐵在氧化鐵中的還原和氧化(氧化還原)反應(yīng)，不是很可逆。然而，研究人員并不了解造成可逆反應(yīng)不完全和容量衰退的原因。通過CFN電子顯微鏡設(shè)備中的透射電子顯微鏡(TEM)，可以獲得高分辨率圖像。這些圖像顯示，充電后鋰金屬氧化物出現(xiàn)中間相。相比之下，在放電過程中，金屬氧化物直接轉(zhuǎn)化為鋰氧化物和純金屬。
Hwang解釋說：“中間相的存在，意味著鋰在充電過程中不會(huì)完全脫嵌。隨著時(shí)間的推移，該相層會(huì)持續(xù)存在并累積。因此，在后續(xù)循環(huán)過程中，可用鋰離子數(shù)量會(huì)減少，導(dǎo)致周期循環(huán)容量持續(xù)下降。我們?cè)?jīng)證明，動(dòng)力學(xué)障礙導(dǎo)致容量衰減。現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)在限制因素也能導(dǎo)致容量下降。”
鑒于這些結(jié)果，研究小組認(rèn)為，充放電是通過不同的(“不對(duì)稱”)反應(yīng)途徑進(jìn)行。在充電過程中，鋰離子脫嵌需要能量，這種反應(yīng)遵循基于能量轉(zhuǎn)移或熱力學(xué)的一種途徑。另一方面，在放電過程中，鋰離子自行嵌入，這種快速的鋰擴(kuò)散，遵循由動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的另一種途徑。
該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃，接下來對(duì)其他轉(zhuǎn)換型電極材料(如金屬硫化物)進(jìn)行表征，并在電池循環(huán)過程中進(jìn)行研究。
免責(zé)聲明：本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，與中國(guó)電池聯(lián)盟無關(guān)。其原創(chuàng)性以及文中陳述文字和內(nèi)容未經(jīng)本網(wǎng)證實(shí)，對(duì)本文以及其中全部或者部分內(nèi)容、文字的真實(shí)性、完整性、及時(shí)性本站不作任何保證或承諾，請(qǐng)讀者僅作參考，并請(qǐng)自行核實(shí)相關(guān)內(nèi)容。
凡本網(wǎng)注明 “來源：XXX（非中國(guó)電池聯(lián)盟）”的作品，均轉(zhuǎn)載自其它媒體，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的，請(qǐng)?jiān)谝恢軆?nèi)進(jìn)行，以便我們及時(shí)處理。
QQ：503204601
郵箱：cbcu@cbcu.com.cn
凡本網(wǎng)注明 “來源：XXX（非中國(guó)電池聯(lián)盟）”的作品，均轉(zhuǎn)載自其它媒體，轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
如因作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題需要同本網(wǎng)聯(lián)系的，請(qǐng)?jiān)谝恢軆?nèi)進(jìn)行，以便我們及時(shí)處理。
QQ：503204601
郵箱：cbcu@cbcu.com.cn
猜你喜歡
-
湘潭大學(xué)科研人員發(fā)表我國(guó)氫燃料電池技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展方向的研究成果
2021-08-13 21:37 -
法拉第研究所開發(fā)超聲波回收方法 可回收80%的電池材料
2021-08-11 09:41 -
OIST研究人員開發(fā)新混合材料 可提高鋰硫電池性能
2021-08-10 08:39 -
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全新納米級(jí)研究 使鋰金屬電池更強(qiáng)大、更持久
2021-07-21 09:34 -
新南威爾士大學(xué)利用咖啡渣開發(fā)電極成分 使電池更具可持續(xù)性
2021-07-08 09:51 -
研究人員利用細(xì)菌回收貴金屬 以充分利用EV廢棄電池并減少碳排放
2021-06-25 21:46 -
研究人員研發(fā)出新型二維電池隔膜 可使鋰金屬電池壽命翻倍
2021-06-23 08:36 -
研究團(tuán)體開發(fā)低成本、輕量化電池概念 可用于電動(dòng)汽車
2021-06-18 11:11 -
德國(guó)新研究發(fā)現(xiàn)：固態(tài)電池界面涂覆納米涂層可讓電池穩(wěn)定
2021-06-09 09:09 -
研究人員開發(fā)新型鋁硫電池 能量密度有望達(dá)到660Wh/l
2021-06-04 22:07
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
專題
相關(guān)新聞
-
湘潭大學(xué)科研人員發(fā)表我國(guó)氫燃料電池技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展方向的研究成果
2021-08-13 21:37 -
法拉第研究所開發(fā)超聲波回收方法 可回收80%的電池材料
2021-08-11 09:41 -
OIST研究人員開發(fā)新混合材料 可提高鋰硫電池性能
2021-08-10 08:39 -
桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全新納米級(jí)研究 使鋰金屬電池更強(qiáng)大、更持久
2021-07-21 09:34 -
新南威爾士大學(xué)利用咖啡渣開發(fā)電極成分 使電池更具可持續(xù)性
2021-07-08 09:51 -
研究人員利用細(xì)菌回收貴金屬 以充分利用EV廢棄電池并減少碳排放
2021-06-25 21:46 -
研究人員研發(fā)出新型二維電池隔膜 可使鋰金屬電池壽命翻倍
2021-06-23 08:36 -
研究團(tuán)體開發(fā)低成本、輕量化電池概念 可用于電動(dòng)汽車
2021-06-18 11:11
本月熱點(diǎn)
-
完美替代鋰電池？銻獲比爾蓋茨投資
2021-08-17 09:45 -
比亞迪、寧德時(shí)代等巨頭加緊布局，這個(gè)千億級(jí)市場(chǎng)真準(zhǔn)備好了嗎？
2021-08-09 09:01 -
2021年中國(guó)動(dòng)力鋰電池行業(yè)全景圖譜
2021-07-22 12:46 -
2021年7月動(dòng)力電池月度數(shù)據(jù)
2021-08-13 08:24 -
A股：鋰電池與鈉電池的較量，有望翻倍的固態(tài)電池龍頭，建議收藏
2021-07-27 09:38 -
又一家電池企業(yè)破產(chǎn)重整，曾為寧德時(shí)代、比亞迪代工
2021-08-03 18:39 -
“鎖電”背后：電池安全冗余的博弈
2021-08-16 08:51 -
寧德時(shí)代改換賽道背后，動(dòng)力電池市場(chǎng)正在發(fā)生變化
2021-08-14 13:24
©2017 版權(quán)所有 電池聯(lián)盟 華杰永泰科技（北京）有限公司 承辦 Power by DedeCms
價(jià)值成就行業(yè)品牌！竭誠(chéng)為您提供最新最熱的資訊
京ICP備09081210號(hào)
價(jià)值成就行業(yè)品牌！竭誠(chéng)為您提供最新最熱的資訊
京ICP備09081210號(hào)
企業(yè)微信號(hào)
微信公眾號(hào)