他们的研究专注于控制阴极材料中结构缺陷的数量-蓬莱新闻
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锂离子电池-他们的研究专注于控制阴极材料中结构缺陷的数量

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他表示:「缺陷就像是在鋰離子和過渡金屬層之間戳一個洞,讓鋰離子和電子不再局限於二維空間,而是可以在三維空間中移動。」

粉末衍射是一種強大的研究技術,可以通過將X射線、中子或電子的光束射向材料,並研究光束如何衍射,以了解材料中單個原子的位置。在本研究中,科學家們在APS進行 X射線測量,在SNS進行了中子測量。

蓋世汽車訊 工程師們都在設計具備更持久電池的智能手機、續航里程可達上百英里的電動汽車、可以存儲可再生能源供未來使用的可靠電網,而如果科學家們能夠設計更好的陰極材料,上述技術將唾手可得。

為了實現此種精確度,科學家們利用美國能源部兩個科學用戶機構 – 能源部阿貢國家實驗室的大型同步加速器先進光子源(Advanced Photon Source,APS)和能源部橡樹嶺國家實驗室的散射中子源(Spallation Neutron Source,SNS)的數據,進行了粉末衍射分析。

迄今為止,增強陰極材料的典型策略是改變其化學成分。不過,據外媒報道,現在美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的化學家們對電池性能有了新發現,得出了優化陰極材料的不同策略。他們的研究專註于控制陰極材料中結構缺陷的數量。

Khalifah表示:「可以將缺陷看出是完美材料結構的「錯誤」。眾所周知,如果存在大量的缺陷,會導致電池性能糟糕。但是,我們了解到,如果有少量缺陷,實際上可以改善電池的關鍵性能。」 Khalifah表示,好的陰極材料會具備兩種性能:離子電導性(鋰離子可以很好地移動)以及電子電導性(電子可以很好地移動)。

科學家們能夠如此精確地測量缺陷濃度,之後就可以研究缺陷與陰極材料之間的關係。最終,科學家們研發了一種可以實現任何缺陷濃度的「配方」。未來,此種配方可以指導科學家利用更便宜、更環保的材料合成陰極,然後調整缺陷濃度,實現最佳電池性能。

布魯克海文國家實驗室兼紐約州立大學石溪分校(Stony Brook University)化學家Peter Khalifah表示:「我們改變了陰極的原子排列,而不是改變其化學成分。」

現在,大多數的陰極材料都由鋰離子和鎳等過渡金屬交替層組成。在此類層狀結構中,通常可以發現少量缺陷,意味着可以在應該存在鋰離子的地方找到過渡金屬的原子,反之亦然。

(圖片來源:布魯克海文國家實驗室)

為了得出該結論,科學家們需要進行比以往更高精度的實驗,測量陰極材料中的缺陷濃度。Khalifah表示:「陰極材料的缺陷濃度在2%至5%之間。以前,只能以大約1%的靈敏度測量缺陷濃度,在該項研究中,我們精確測量了缺陷濃度,靈敏度為0.1%。」

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