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不穩(wěn)定的電極

充電電池是能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵要素，尤其是在可再生能源越來越多的今天。在多種可充電電池中，鋰離子電池是功能最強(qiáng)大、應(yīng)用最廣泛的電池之一。為了使其電氣連接，通常使用層狀氧化物作為電極。然而，當(dāng)電池充電時(shí)，它們的原子結(jié)構(gòu)會(huì)變得不穩(wěn)定。這最終會(huì)影響電池的循環(huán)壽命。

局部失調(diào)

為了解決這個(gè)問題，代爾夫特理工大學(xué)的"電化學(xué)能量存儲(chǔ)"小組與國際研究人員合作。論文的第一作者是王啟迪，他介紹說："用作鋰離子電池陰極材料的層狀氧化物是整齊有序的。我們進(jìn)行了一項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，通過改進(jìn)合成方法在這種材料中引入化學(xué)短程無序。因此，它在電池使用過程中變得更加穩(wěn)定"。

有序的層狀結(jié)構(gòu)是鋰（Li）離子陰極的重要組成部分。然而，在充電過程中，本質(zhì)上脆弱的缺鋰框架很容易受到晶格應(yīng)變、結(jié)構(gòu)和/或化學(xué)機(jī)械退化的影響，導(dǎo)致容量迅速下降，從而縮短電池壽命。在此，研究人員報(bào)告了一種通過在氧化物陰極中整合化學(xué)短程無序（CSRD）來解決這些問題的方法，它涉及晶格中元素在空間維度上的局部分布，跨越幾個(gè)最近鄰間距。這是在結(jié)構(gòu)化學(xué)基本原理的指導(dǎo)下，通過改進(jìn)的陶瓷合成工藝實(shí)現(xiàn)的。

為了證明其可行性，研究人員展示了 CSRD 的引入如何對(duì)層狀氧化鋰鈷陰極的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。這表現(xiàn)在過渡金屬環(huán)境及其與氧氣的相互作用上，有效防止了鋰去除過程中晶體板的有害滑動(dòng)和結(jié)構(gòu)退化。同時(shí)，它還會(huì)影響電子結(jié)構(gòu)，從而提高電子導(dǎo)電性。

這些特性對(duì)鋰離子存儲(chǔ)能力大有裨益，可顯著提高循環(huán)壽命和速率能力。此外他們還發(fā)現(xiàn) CSRD 可以通過改進(jìn)化學(xué)共摻雜的方式引入到其他層狀氧化物材料中，這進(jìn)一步說明了 CSRD 在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和電化學(xué)穩(wěn)定性方面的潛力。這些發(fā)現(xiàn)為氧化物陰極的設(shè)計(jì)開辟了新的途徑，幫助深入了解了 CSRD 對(duì)先進(jìn)功能材料晶體和電子結(jié)構(gòu)的影響。

經(jīng)過 200 次充電/放電循環(huán)后，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高幾乎使電池的容量保持率翻了一番。圖片來源：Roy Borghouts Fotografie

循環(huán)壽命更長，充電時(shí)間更短

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提高使電池在 200 次充電/放電循環(huán)后的容量保持率幾乎翻了一番。此外，這種化學(xué)短程無序增加了電極中的電荷轉(zhuǎn)移，從而縮短了充電時(shí)間。研究小組對(duì)鋰鈷氧化物（LiCoO2）和鋰鎳錳鈷氧化物（NMC811）等成熟的商用陰極展示了這些優(yōu)勢。

關(guān)鍵材料

這些成果可能會(huì)催生新一代鋰離子電池，其制造成本更低，壽命期間單位能量儲(chǔ)存的二氧化碳排放量更小。研究小組下一步將研究是否可以利用同樣的材料設(shè)計(jì)原理，用不太稀缺的原材料制造陰極。論文的資深作者馬尼克斯-瓦格馬克（Marnix Wagemaker）說："鈷和鎳都是所謂的能源技術(shù)關(guān)鍵材料，減少電池中這些材料的使用將是一件好事。"

編譯來源：ScitechDaily