美國用摻雜氯的鈦酸鋰取代石墨陽極 制大容量的鋰離子電池

2020-12-01 騰訊網

蓋世汽車訊 鋰離子電池的工作原理是，在充電時，鋰離子在正極（陰極）和負極（陽極）之間移動；在放電時，鋰離子則以相反的方向移動。現在，智慧型手機、筆記本電腦和電動汽車所使用的鋰離子電池通常都採用石墨陽極。在充電時，鋰離子會插入到石墨陽極中；在使用電池時，鋰離子則會從電池中退出。

鈦酸鋰納米花朵（圖片來源：布魯克黑文國家實驗室）

雖然石墨能夠承受數百甚至數千次的充放電循環，但是其不能存儲足夠多的容量，用於能源密集型應用。例如，電動汽車的續航裡程不夠長。此外，石墨無法以高速率（功率）充放電。因此，科學家們一直在尋找替代性陽極材料。

鈦酸鋰（LTO）就是一種很有發展前景的陽極材料，由鋰、鈦和氧構成。除了能夠以高速率充放電之外，LTO還具有良好的循環穩定性，並具有足夠的空間容納鋰離子（容量大）。不過，LTO的導電性很差，會導致鋰離子在該材料中的擴散速度很慢。

據外媒報導，紐約大學州立大學石溪分校（Stony Brook University）材料科學與化學工程系兼職教員兼化學系副教授Amy Marschilok表示：「純LTO的可用容量適中，但是不能快速輸送電能。」 Amy Marschilok還擔任Center for Mesoscale Transport Properties的副主任，以及美國能源部布魯克黑文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）跨學科部門能源存儲部門經理與科學家。她還表示：「高速率電池材料對於電動汽車、可攜式電動工具和應急電源系統等需要在幾分鐘內快速儲能的應用非常具有吸引力。」

Marschilok還是布魯克黑文國家實驗室-石溪分校小組的成員，該小組從2014年開始合作研究LTO。在最近的研究中，該小組通過摻雜工藝在LTO中添加了氯，從而將其容量提高了12%。

石溪分校化學系傑出教授Stanislaus Wong,也是學生研究團隊主要研究員，他表示：「受控的摻雜工藝能夠改變材料的電子和結構特性。在我的團隊中，我們對採用化學知識來指導設計有利的結構-特性相關性很感興趣。對於LTO，加入摻雜原子可以提高其導電性，使其晶格擴大，將鋰離子傳輸通道變寬。科學家們已經測試了很多不同類型的摻雜物，但是沒怎麼研究過氯。」

為了製造摻雜了氯的LTO，該團隊採用了一種稱為水熱合成的溶液法。在水熱合成過程中，科學家在水中加入了一種含有相關前體（製成所需產品的反應材料）的溶液，將該混合物放入到了密封容器中，並將其在相對適中的溫度和壓力下放置了一段時間。在此種情況下，為了擴大實驗規模，科學家選擇了液體鈦前體，而不是之前此類反應中使用的固態鈦箔。將純LTO和摻雜了氯的LTO利用水熱合成處理36小時後，科學家採用了額外的化學處理步驟來分離所需的材料。該團隊還在布魯克黑文國家實驗室功能納米材料中心（CFN）的電子顯微鏡設施中採用掃描電子顯微鏡（SEM）進行成像研究，發現兩種樣品都具有「花朵形狀」的納米結構，也表明化學處理過程並沒有破壞材料原有的結構。

Wong表示：「我們的新型合成法促進了更快、更統一、更高效的反應，可以大規模製出此類3D納米「花朵」，而此種獨特的架構有很大的表面積，「花瓣」從中心向外輻射，此種結構也為鋰離子進入該材料提供了多種路徑。」

通過改變氯、鋰和前體的濃度、前體的純度以及反應時間，科學家們找到了打造高晶體納米材料的最佳條件。科學家們利用此類優化過的樣品進行了幾次電化學測試，結果發現，在電池以高速率放電30分鐘時，摻雜氯的LTO有更大的可用容量，而且在電池充放電循環超過100次後，此種性能仍得以保持。

為了理解為何可以改進性能，該團隊採用了計算理論，對摻雜氯引起的結構和電子變化進行了建模。在計算摻雜氯的LTO最穩定的幾何結構時，該團隊發現，氯更喜歡替代LTO結構中氧的位置。

接下來，該團隊將研究3D納米花朵形狀如何影響鋰離子傳輸。此外，他們也在探索其他原子級陽極和陰極替代材料，以改善鋰離子傳輸。

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