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新发现!电池电极纳米粒子中锂发生反转
时间:2018-02-02 10:06:22来源:材料科技在线
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提要:作为模型电池产生的电流,科学家们目睹了单个纳米颗粒内部的锂浓度在某一点反转,而不是持续增加。
新发现!电池电极纳米粒子中锂发生反转

该二维图描绘了单个纳米颗粒内锂的浓度。随着时间的推移,锂浓度先增加,后减少,然后再增加。图片来源:布鲁克海文国家实验室。

美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室科学家领导的一项合作中,发现在锂离子电池里的一种出乎意料的现象,锂离子电池是用于驱动手机和电动车最常见的电池类型。作为模型电池产生的电流,科学家们目睹了单个纳米颗粒内部的锂浓度在某一点反转,而不是持续增加。“Science Advances”杂志的一篇论文报道了这一发现,这为改善消费电子产品电池寿命迈出了重要一步。

Stony Brook 大学教授,美国布鲁克海文能源科学局首席科学家Esther Takeuchi表示:“因为电池的电极容量有限,那么你可能需要每天都给手机电池充电。这项研究的结果可以帮助开发充电更快,更持久的电池。”

每个锂离子电池的电极内部都是原子排列成晶格的粒子,原子间是有间隙的周期性结构。当锂离子电池供电时,锂离子流入原子晶格中的空位。

布鲁克海文可持续能源技术部门的科学家Wei Zhang说:“以前,科学家们认为晶格中锂的浓度会不断增加。但是现在,我们已经看到,当电池的电极由纳米颗粒组成时,情况可能并非如此,我们观察到纳米颗粒在局部区域内锂浓度先上升,然后下降,发生了反转现象。”

电极通常由纳米粒子制成以增加电池的功率密度。但由于观察能力有限,科学家们还不能完全理解这些电极是如何工作的。现在,借助实验工具的独特组合,科学家们能够实时对电极内部的反应进行成像。

该项研究的负责人、布鲁克海文可持续能源技术部门的科学家Feng Wang说:“与海绵吸水相似,我们可以看到纳米颗粒内锂的总体水平不断增加。但是与水不同的是,锂可能优先移出某些区域,从而锂在晶格间的分布不均匀。”

据科学家们介绍,锂的这种不均匀的运动可能会产生持久的破坏性影响,因为它会使电池中的活性物质结构变形,并可能导致疲劳失效。

Wang说:“锂进入晶格之前,其结构是非常均匀的。但锂一旦进入,就会拉长晶格,当锂离开时,晶格就会缩小。所以每次充电和放电时,其活性组分都会受到压力,电池质量就会随着时间的推移而降低。因此,表征和理解锂浓度在时间和空间上的变化显得非常重要。”

为了进行这些观察,科学家将透射电子显微镜(TEM)实验与X射线分析相结合。TEM实验在功能性纳米材料中心(CFN),即在美国能源部布鲁克海文实验室的科学用户设施办公室和布鲁克海文的凝聚态物理和材料科学部进行。X射线分析在位于布鲁克海文的美国能源部科学用户设施办公室(NSLS)进行,该办公室于2014年关闭,其后续设备NSLS-II开放。

该论文的作者之一,布鲁克海文实验室的资深物理学家Yimei Zhu说:“Wang的团队将透射电镜和X射线技术结合起来。虽然两种技术都使用类似的方法来分析材料的结构,但是可以提供互补的信息。电子对局部结构很敏感,而X射线可以探测到更大的体积,并且可以得到更好的统计结果。”

布鲁克海文团队还开发了一种纳米级模型电池,既可以模拟锂离子电池的功能,又可以“拟合”到TEM中。在密歇根大学进行的计算机模拟进一步证实了令人惊喜的结论。

安娜堡密歇根大学材料科学与工程教授Katsuyo Thornton表示:“我们最初认为这种反转机制与之前提出的相似,这是由相邻粒子之间的相互作用引起的。 然而,事实证明,单一粒子内部的浓度反转不能用现有的理论来解释,因此这是由不同的机制产生。模拟对这项工作是至关重要的,因为如果没有模拟,我们会得不出一个正确的结论。”

虽然这项研究集中在锂离子电池,科学家说,这种现象也可能发生在其他高性能化学电池。

Wang说:“沿着这个思路,我们计划使用CFN和NSLS-II的世界一流的设备来更深入地研究电池材料的工作原理,并找到解决方案,从而制备充电更快,使用更持久的新电池。这些设备为在实际条件下实时成像电池材料结构提供了理想的工具。”

 这个报道是根据布鲁克海文国家实验室提供的材料改编而成。本文表达的观点不一定代表Elsevier的观点。

原文来自materialstoday网站,原文题目Lithium discovered reversing out of nanoparticles in battery electrodes,由材料科技在线汇总整理。

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