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了解前景锂离子电池电极超大容量的来源

来源(网络)   2015-03-26
导读:摘要锂离子电池几乎给所有的日常便携式电子产品充电,包括智能手机,相机,玩具,甚至是电力车。全球的研究人员都在寻找安全,廉价,持久并且强大的锂电池材料。

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钌氧化物锂电池系统的三个阶段反应途径综述

锂离子电池几乎给所有的日常便携式电子产品充电,包括智能手机,相机,玩具,甚至是电力车。全球的研究人员都在寻找安全,廉价,持久并且强大的锂电池材料。

工作在不同美国能源部光源设施和剑桥及石溪大学的一组研究人员近期研究了一类锂离子电池的电极,这比目前其它电池的容量都大很多。研究人员希望确定为什么这些材料能 储存比理论估计还要多很多的电量。

作者选择氧化钌(RuO2)作为模型系统,研究这些所谓的“转换材料”命名是因为当和锂离子反应的时候会发生很大的结构变化,可逆化形成金属纳米颗粒和盐(这里指Ru和Li2O)。这和传统的反应非常不一样,它允许锂离子在晶格内的空间中储存电量。

“我们调查发现RuO2额外容量的来源。也因此产生了研究在电池电极“钝化层”的方案,这保护电极不会继续在充放电过程中发生分解反应。”Clare Grey,一个在剑桥和石溪大学的教授,这项研究对应的研究人如是说。理解这些钝化层的结构是制造应用于运输或者电网存储足够持久电池的关键。

在布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源,该小组利用X射线吸收近边结构(XANES)和扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)研究了他们的样品。在先进光子源,阿贡国家实验室,他们用两个额外的技术,高分辨率X射线衍射(XRD)和散射对分布函数(PDF)的分析,去获得当电池充放电过程中,电子与长/短范围RuO2电极结构变化的实时信息。用这种方法,这个团队展示了RuO2通过LixRuO2的形成,被还原成了Ru纳米颗粒和Li2O。

因为这并不能解释额外的电量储存机制的来源,该小组用了另一种技术:高分辨率固态核磁共振(NMR)。此方法给样品施加磁场比国内测量样品中原子核的反应。这可以得到化学成分和局部结构的特殊信息,并且对于研究只包含“轻”元素的研究中非常有用,这些元素例如氢,锂和氧是很难在XRD中检测出来的。NMR数据显示主要对容量产生作用的是LiOH的形成,这可逆变成Li2O和LiH。小部分作用来自在Ru纳米颗粒表面Li的储存,形成LixRu合金以及电解质的分解。然而后者,最终导致电容量的减少并且会导致多次充电循环后电池失效。