研究發現富鋰NMC材料電壓滯後原因 對未來開發電池正極產生巨大影響

2020-11-23 中國科技新聞網

據外媒報導，牛津大學、亨利・羅伊斯和法拉第學院（Henry Royce and Faraday Institutions）以及英國的國家同步加速器鑽石光源(Diamond Light Source)的研究人員利用「鑽石光源」的共振非彈性X射線散射（RIXS），識別重要電池材料富鋰NMC中氧化氧（oxidized oxygen）的性質。與當前最先進的材料相比，這種材料可以提供更高的能量密度，延長電動汽續航裡程，因此，被廣泛認為可以應用於下一代鋰離子電池。研究人員希望，科學家們可以利用他們的研究結果，解決與富鋰材料有關的電池壽命和電壓衰減等問題。

（圖片來源：鑽石光源）

鑽石光源I21 RIXS（軟X線 RIXS光束線）首席光束科學家Kejin Zhou表示：「我們的工作主要是了解神秘的首次循環電壓滯後現象，在該過程中氧化還原過程無法完全恢復，導致電壓損失，能量密度降低。」

此前，該研究小組項曾研究過這一過程。據報導,在鈉離子電池正極中，電壓滯後現象的發生，是由於充電過程中過渡金屬離子遷移，使所形成的氧氣分子被困在粒子裡。Zhou表示：「目前，我們的研究集中在富鋰材料Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2上。跟以前一樣，關鍵發現顯示，材料內部會形成游離的氧氣分子，這在之前沒有得到重視。這一發現非常重要，因為該材料具有較高的TM-O共價，曾被認為可以抑制氧氣分子的形成。我相信，對於未來的電池正極設計，我們的工作將產生重大影響，使不穩定的蜂窩結構最小化。談到解決富鋰NMC材料存在的其它問題，比如電壓衰減，此次研究也具有重要意義，這些問題會阻礙其商業化，影響發現可以更加可逆化利用O-氧化還原過程的新材料。

能夠提高鋰離子電池能量密度的材料為數不多，富鋰正極材料是其中之一。在這些結構中，幾乎所有的鋰都可以被移除，首先通過過渡金屬(TM)離子氧化來補償，然後是氧離子。然而，充電時O-氧化還原過程涉及到的高電壓，在放電時不能恢復，導致產生所謂的電壓滯後，能量密度顯著降低。這是阻礙開發材料全部潛能的關鍵挑戰之一，並且對該現象的理解仍然不完整。

主要研究人員、牛津大學材料系的Rob House博士表示：「在我們的研究中，我們使用了鑽石光源I21光束線的HR RIXS（高解析度共振非彈性X射線散射光譜儀）研究O-氧化還原過程。這是材料存儲氧離子電荷的方式，而氧離子是其結構的一部分。然而，研究人員很難完全理解這一過程。這種材料在首次充電時會發生複雜的結構變化，從而導致嚴重的電壓滯後，而氧離子存儲能量的機制尚不清楚。」

「通過獲得的數據，我們能夠識別之前被RIXS技術探測到但無法完全辨別的神秘光譜特徵。我們能夠分解由氧氣分子振動產生的精細結構，所以能識別在這一重要類別的電池材料中獲得的RIXS特徵。這些氧氣分子被困在正極材料主體中，在放電過程中，可以以較低的電壓（低於初始充電電壓）重新轉化為氧離子。這為解釋O-氧化還原過程提供一種新機制，也代表了開發電池材料的重要一步。」

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