研究人員將非晶固體轉(zhuǎn)化為新型電池材料 加快充電速度

發(fā)布日期:2022-05-09

核心提示:據(jù)外媒報(bào)道,美國加州大學(xué)圣地亞哥分校(University of California San Diego)和博伊西州立大學(xué)(Boise State University)的
  據(jù)外媒報(bào)道,美國加州大學(xué)圣地亞哥分校(University of California San Diego)和博伊西州立大學(xué)(Boise State University)的研究人員開發(fā)了一種新方法,用以制造新型鋰離子電池材料。該方法通過使非晶材料與鋰進(jìn)行循環(huán),將其轉(zhuǎn)化為晶體材料。
 
(圖片來源:加州大學(xué)圣地亞哥分校)
 
該團(tuán)隊(duì)采用這種方法,將名為氧化鈮的非晶(無定形)材料轉(zhuǎn)化為新型晶態(tài)Nb2O5負(fù)極,使其具有出色的鋰存儲和快速循環(huán)能力。對于制造其他傳統(tǒng)方法難以制造的鋰離子電池材料,這種工藝可能發(fā)揮作用。這項(xiàng)研究由加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授Shyue Ping Ong實(shí)驗(yàn)室的研究人員和博伊西州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授Hui (Claire) Xiong共同領(lǐng)導(dǎo)。
 
隨著油價(jià)上漲,人們對電動(dòng)汽車的需求日益增長。然而,目前為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的鋰離子電池成本較高,而且充電太慢,因此迫切需要開發(fā)新的電池材料。Xiong團(tuán)隊(duì)的博士校友、這項(xiàng)研究的主要作者Pete Barnes表示:“如果想要充電15分鐘,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航200或300英里,需要用到新電極,使其能以非??斓乃俣瘸潆?,而且不會出現(xiàn)太大的性能損失。”
 
目前,鋰離子電池充電的最大瓶頸之一在于負(fù)極。常用的石墨負(fù)極具有高能量密度,但是充電速度慢,因?yàn)殇嚱饘馘儗右滓鸹馂?zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。研究人員將插層金屬氧化物(intercalation metal oxides)視為有前途的負(fù)極替代品,如該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的巖鹽Nb2O5材料,有望降低在低電壓下的鍍鋰風(fēng)險(xiǎn)。
 
為了制造這種負(fù)極材料,研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新技術(shù),名為電化學(xué)誘導(dǎo)非晶態(tài)到晶態(tài)轉(zhuǎn)變(electrochemically-induced amorphous-to-crystalline transformation)。這種新電極在20 mA/g的充電速率下,可實(shí)現(xiàn)269 mAh/g的高儲鋰容量,更為重要的是,在1 A/g的高充電速率下,繼續(xù)保持191 mAh/g的高容量。Xiong表示:“這項(xiàng)工作中最令人興奮的是,發(fā)現(xiàn)了一種創(chuàng)造新型鋰離子電池電極的新方法。其訣竅在于從更高的能量相位開始,比如非晶態(tài)材料。只需將材料與鋰進(jìn)行循環(huán),就可以創(chuàng)造出新的晶體排列,其性能優(yōu)于通過固態(tài)反應(yīng)等傳統(tǒng)方法制造的材料。”
 
這種負(fù)極具有卓越的倍率性能,源于其無序巖鹽(DRX)結(jié)構(gòu),這有點(diǎn)像廚房的鹽,但鋰和鈮原子以隨機(jī)方式排列。相對來說,DRX正極材料較為常見,而DRX負(fù)極較為少見。加州大學(xué)圣地亞哥分校Ong材料虛擬實(shí)驗(yàn)室的博士校友Yunxing Zuo利用計(jì)算技術(shù),展示將Li插入非晶態(tài)Nb2O5的過程,從而獲得亞穩(wěn)態(tài)材料。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種衡量標(biāo)準(zhǔn),以發(fā)現(xiàn)其他可能以類似方式合成的金屬氧化物。另外,計(jì)算結(jié)果表明,DRX結(jié)構(gòu)中含有快速鋰擴(kuò)散路徑,具有較高的倍率性能。
 
研究人員認(rèn)為,這項(xiàng)工作僅僅是開啟了一種全新的材料合成思維方式。Ong表示:“原子喜歡以某種方式排列自己。用傳統(tǒng)方法制造材料,通常會反復(fù)得到同樣的結(jié)果。這種新方法開辟了一條富有前景的道路,可用于制造其他非常規(guī)金屬氧化物。”

 
 
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