隨著對(duì)智能手機(jī)，電動(dòng)汽車和可再生能源的需求持續(xù)上升，科學(xué)家們正在尋求改進(jìn)鋰離子電池的方法-鋰離子電池是家用電子產(chǎn)品中最常見的電池類型，也是電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的有前途的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進(jìn)使用長效電池的先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，以及風(fēng)能和太陽能的廣泛使用。現(xiàn)在，研究人員在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展。

由馬里蘭大學(xué)（UMD），美國能源部（DOE）布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室和美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)合作開發(fā)和研究了一種新的陰極材料，其能夠使鋰離子的能量密度增加三倍電池電極。他們的研究于6月13日在NatureCommunications上發(fā)表。

“鋰離子電池包括一個(gè)陽極和一個(gè)陰極，”UMD的科學(xué)家，該論文的主要作者之一，修秀芬說。“與用于鋰離子電池的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量受限得多，陰極材料一直是進(jìn)一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”

UMD的科學(xué)家們合成了一種新的陰極材料，這種材料是一種經(jīng)過改造和設(shè)計(jì)的三氟化鐵（FeF3），由具有成本效益和環(huán)境友好的元素-鐵和氟組成。研究人員一直對(duì)鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因?yàn)樗鼈兙哂斜葌鹘y(tǒng)陰極材料更高的容量。

“通常用于鋰離子電池的材料是基于插層化學(xué)的，”布魯克黑文的化學(xué)家EnneHu說，也是該論文的主要作者之一。“這種類型的化學(xué)反應(yīng)非常有效，但是它只轉(zhuǎn)移一個(gè)電子，所以陰極的容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過更復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)移多個(gè)電子，稱為轉(zhuǎn)換反應(yīng)。”

盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但由于其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的三個(gè)并發(fā)癥，該化合物在鋰離子電池中的歷史效果并不理想：能量效率差（滯后現(xiàn)象），反應(yīng)速度慢以及可能導(dǎo)致循環(huán)壽命差的副反應(yīng)。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家通過稱為化學(xué)取代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使得科學(xué)家們可以操縱反應(yīng)路徑并使其更“可逆”。

該論文的合著者，布魯克海文功能性納米材料中心（CFN）科學(xué)家SooyeonHwang說：“當(dāng)鋰離子插入FeF3時(shí)，材料轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰。“然而，反應(yīng)并不完全可逆，用鈷和氧代替后，陰極材料的主要骨架保持得更好，反應(yīng)變得更加可逆。”

為了研究反應(yīng)途徑，科學(xué)家們在CFN和國家同步輻射光源II（NSLS-II）-兩個(gè)DOE位于Brookhaven的科學(xué)用戶設(shè)施辦公室進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)。

首先在CFN，研究人員使用強(qiáng)大的電子束以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒-一種稱為透射電子顯微鏡（TEM）的技術(shù)。TEM實(shí)驗(yàn)使研究人員能夠確定陰極結(jié)構(gòu)中納米顆粒的確切大小，并分析充放電過程不同階段結(jié)構(gòu)如何變化。他們看到了取代納米棒的更快的反應(yīng)速度。

“透射電鏡是一種非常有用的工具，可以在非常小的尺度上表征材料，并且它還能夠?qū)崟r(shí)研究反應(yīng)過程，”CFN的科學(xué)家，該研究的共同通訊作者DongSu說。“但是，我們只能通過透射電子顯微鏡看到非常有限的樣品區(qū)域，我們需要依靠NSLS-II的同步加速技術(shù)來了解整個(gè)電池的功能。”

在NSLS-II的X射線粉末衍射（XPD）光束線中，科學(xué)家們指導(dǎo)通過陰極材料的超高亮度X射線。通過分析光線如何散射，科學(xué)家們可以“看到”關(guān)于材料結(jié)構(gòu)的額外信息。

“在XPD，我們進(jìn)行了配對(duì)分布函數(shù)（PDF）測量，它們能夠檢測大量的本地鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學(xué)家白建明說。“放電陰極的PDF分析清楚地表明化學(xué)取代促進(jìn)了電化學(xué)可逆性。”

在CFN和NSLS-II上結(jié)合高度成像和顯微技術(shù)是評(píng)估陰極材料功能的關(guān)鍵步驟。

“我們還根據(jù)密度泛函理論進(jìn)行了先進(jìn)的計(jì)算方法，以破譯原子尺度的反應(yīng)機(jī)制，”UMD的科學(xué)家，本文的共同作者XiaoJi說。“這種方法表明，化學(xué)替代將反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)，通過減少鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相。”UMD的科學(xué)家表示，這一研究策略可以應(yīng)用于其他高能量轉(zhuǎn)換材料，未來的研究可能會(huì)使用該方法來改進(jìn)其他電池系統(tǒng)。