新发现将对未来电池正极的发展产生巨大影响

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一个研究团队如何能够利用Diamond Light的RIXS(共振非弹性X射线散射)来完全识别重要的电池材料-富锂NMC中的氧化氧气的性质。资源。该化合物正在紧紧考虑在下一代锂离子电池中实施,因为它可以提供比当前最先进的材料更高的能量密度,这可以转化为更长的电动汽车行驶里程。他们希望他们的工作将使科学家能够使用富含锂的材料解决电池寿命和电压衰减等问题。


电池电极

牛津大学,亨利·罗伊斯和法拉第研究所及钻石光源联合研究小组的论文“在与大量被困分子中捕获的分子O 2相关的富含锂的3d阴极中的第一循环电压滞后”,英国国家同步加速器进行了研究。他们的调查结果更好地了解了电池行业中一种重要的化合物,即富锂NMC(或Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2)。


钻石I21 RIXS的主要Beamline科学家Zhou Kejin解释说:“我们的工作主要是了解神秘的第一周期电压滞后现象,在该过程中O-氧化还原过程无法完全恢复,从而导致电压损失,从而导致能量密度降低。 ”


同一研究小组在Diamond的I21光束线上对该过程进行的先前研究(Nature 577,502-508(2020))报告说,在Na离子电池阴极中,电压滞后与Nb的形成有关。由于在充电过程中过渡金属离子的迁移,分子O 2被困在颗粒内部。


他补充说:“我们目前的工作集中在富锂材料Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2上。之前的主要发现表明,材料内部形成了游离O 2分子,这在以前没有得到认识。这是一个非常重要的发现,因为该材料具有更高的TM-O价,这被认为可以抑制分子O 2的形成。。我相信我们的工作将对未来的电池正极设计产生巨大影响,以最大程度地减少不稳定的蜂窝结构。我们的工作对于解决与富锂NMC有关的其他问题(例如电压衰减)也具有重要意义,这些问题会阻碍其商业化,并最终发现可以更可逆地利用O-redox的新材料。”


富含锂的阴极材料是增加锂离子电池能量密度的极少数选择之一。可以除去这些结构中几乎所有的锂,首先通过过渡金属(TM)离子的氧化,然后通过氧化离子的氧化来补偿。但是,与这种O-redox充电过程相关的高压在放电时无法恢复,从而导致所谓的电压滞后和能量密度的显着降低。这代表了阻碍开发这些材料的全部潜能的关键挑战之一,并且对该现象的理解仍然不完整。


“在我们的研究中,我们使用了位于钻石线I21的HR RIXS(高分辨率共振非弹性X射线散射光谱仪)研究O-氧化还原过程。这就是材料存储氧化物离子电荷的方式,而氧化物是电荷的一部分但是,这一过程对研究人员来说很难完全理解。这种材料在首次充电时会经历复杂的结构变化,从而导致较大的电压滞后,并且尚不清楚氧化物离子存储能量的机理。”牛津大学材料系Rob House博士。他还补充说:


“我们获得的数据使我们能够分配以前通过RIXS技术检测到的神秘光谱特征,但无法完全识别。我们能够解决O 2分子振动产生的精细结构,从而使我们能够分配RIXS这些重要的电池材料具有这些特性,这些O 2分子被捕集在阴极材料的主体中,可以在放电过程中以较低的电压重整为氧离子而不是最初的费用。这为解释O-氧化还原过程提供了一种新的机制,代表了电池材料向前迈出的重要一步。”


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