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研究预言稳定大容量锂电池的材料

作者:中国储能网新闻中心  来源:西北大学  发布时间:2018-7-1 19:19:05

中国储能网讯:“这种电池已经达到了有史以来过渡金属氧化物电极电池的最高容量,是目前使用的手机和平板电脑中电池的两倍多。”负责该研究的西北大学McCormick工程学院的材料科学教授Christopher Wolverton说,“这么高的电池容量对电动汽车使用锂电池的目标来说是一大进步。”

电池阴极的结构示意图。锂原子为红色,氧原子为绿色,锰原子为紫色,铬原子为深蓝色,钒原子为浅蓝色。
供图:Wolverton研究小组/西北大学

研究结果于5月14号发表在Science Advances上。

锂电池通过在锂离子在阴极和阳极之间的来回移动来工作。阴极由包含锂离子、一种过渡金属和氧的化合物构成。当锂离子从阳极移动到阴极,或从阴极返回阳极时,过渡金属(通常为钴)有效地储存和释放电能。阴极容量就是被过渡金属中可以参与反应的电子所限制的。

一个法国的研究组在2016年第一次报道了大容量锂锰氧化物化合物。通过用更便宜的锰取代传统的钴,该团队研发出了更便宜但容量为传统电池2倍多的电极。但这项研究遇到了挑战:该电池的表现仅在两轮充电后就明显下降,阻止了该电池的商业化。而且他们也没有完全理解电池大容量和容量下降的化学本质。

在研究了详细到原子的阴极结构示意图后,Wolverton的团队发现了该材料容量大背后的原因:它促使氧气参与了反应。除了使用过渡金属,通过使用氧气来储存和释放电能,该电池就有了储存和使用更多锂的能力。

接下来,西北大学的团队将注意力转向稳定电池,防止它的存储能力快速下降。

“根据掌握的充放电知识,我们使用高通量计算来遍历元素周期表,寻找为适于融入电极的从而提高电池表现的元素。”该论文的第一作者之一,也是Wolverton实验室的前博士生,Zhenpeng Yao说。

该计算方法确定了两种元素:铬和钒。团队预测使用其中任意一种与锂锰氧化物混合将产生保持阴极高容量的化合物。接下来,Wolverton和他的合作者们将在实验室中测试这些理论中的化合物。

该研究是电子化学能源中心(the Center for Electrochemical Energy Science)的一部分。该研究中心是由美国能源部科学中心基础能源科学部建立的前沿能源研究中心,荣誉号码为DE-AC02-06CH11357。目前是哈佛大学博士后研究员的Yao和麻省理工学院博士后研究员Soo Kim都是Wolverton实验室的前任成员,并列该论文的第一作者。

关键字:锂电池

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