美科学家捕获钛酸锂电池锂离子迁移 助力改进电动汽车快速充电技术

放大  缩小 日期:2020-03-25     作者:中国汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
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  【中国汽车材料网】由美国能源部布鲁克海文国家实验室(U.S. DePArtment of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)领导的一组科学家实时捕获了锂离子如何在钛酸锂(LTO)中移动轨迹,钛酸锂是一种含有锂、钛的快速充电电池的电极材料。他们发现,LTO中的锂和周围原子的扭曲排列是“中间构型”(LTO的锂浓度介于其初始状态和终止状态之间的结构)为锂离子的运输提供了“通道”。他们的发现发表在2月28日的《科学》杂志上可以为设计改进的电池材料提供见解,以便为电动汽车和便携式消费类电子产品快速充电。
 

 
 
  布鲁克海文实验室材料科学家Feng Wang说:“考虑到只需要花几分钟就可以充满汽车的油箱,而要花几个小时就可以给电动汽车的电池充电。”,“弄清楚如何使锂离子在电极材料中更快地移动非常重要,因为它可以帮助我们制造更好的电池,并大大减少充电时间。”
  
  锂离子电池的工作原理是通过一种称为电解质的化学介质在正极和负极(阴极和阳极)之间传递锂离子。在最先进的锂离子电池中,石墨通常用作阳极,但对于快速充电应用,LTO是一种非常有前景的选择。LTO可以快速容纳锂离子,而不会遭受锂电镀(锂在电极表面而非内部沉积的情况)的影响。
  
  在这项研究中,科学家们通过设计在透射电子显微镜(TEM)内运行的电化学电池,能够实时跟踪LTO纳米粒子中锂离子的迁移。该电化学电池使团队能够在电池充电和放电期间制作电子能量损失谱(EELS)。在EELS中,测量电子与样品相互作用后电子的能量变化,以揭示有关样品局部化学状态的信息。除了对锂离子高度敏感外,EELS在TEM内执行时,还提供了捕获纳米颗粒中离子迁移所需的空间和时间。
  
  随着充电和放电的进行,所得的EELS光谱包含有关LTO不同状态下锂的占有率和局部环境的信息。为了解密信息,科学家们对光谱进行了模拟。在这些模拟的基础上,他们从数千种可能性中确定了原子的排列。为了确定局部结构对离子迁移的影响,CEDER研究小组使用基于量子力学的方法计算了LTO中锂离子迁移的能垒。
  
  研究小组的分析表明,LTO具有亚稳态的中间构型,锂离子在LTO的中间构型中迅速沿着“易通过的途径”移动。想象一下LTO晶格是锂离子必须绕过的赛车障碍路线。在其原始阶段(Li4Ti5O12)及其最终阶段转变为容纳锂离子(Li7Ti5O12),LTO具有原子构型,阻碍了许多障碍。因此,锂离子必须缓慢穿过障碍物路线。但是在LTO的中间构型中(Li5 + xTi5O12),围绕锂的原子排列的局部变形会沿着这两个相的边界发生。这些变形略微将障碍物推开,从而为锂离子加速提供了“快速通道”。
  
  Wang解释说:“与自由流入汽车油箱的气体不同,后者实际上是一个空容器,锂需要“拼搏”进入LTO,LTO并非完全开放的结构。“为了吸收锂,LTO从一种结构转变为另一种结构。通常,这种两相转变需要时间,从而限制了快速充电能力。但是,在这种情况下,锂的容纳速度比预期的要快,因为锂的局部变形LTO的原子结构创造了更多的开放空间,锂可以轻松地通过这些空间。这些高度导电的路径发生在两相之间存在的大量边界处。”
  
  接下来,科学家将探索LTO在实际应用中的局限性,例如热量产生和高速率循环带来的容量损失。他们希望通过研究LTO在不同的循环速率下反复吸收和释放锂后的表现,希望找到解决这些问题的方法。这些知识将有助于开发用于快速充电电池的实用电极材料。
 
 
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