鋰離子電池電量提升三倍！

上圖示意了用氧和鈷代替正極材料防止鋰破壞化學鍵的過程，並保了持材料的結構

隨著對智能手機、電動汽車和可再生能源的需求不斷增加，科學家們正在尋找改善鋰離子電池的方法，這是家用電器中最常見的電池類型，也是一種有前途的電網規模能源儲存解決方案。提高鋰離子電池的能量密度有助於發展具有長效電池的先進技術，以及風能和太陽能的廣泛應用。近日，研究人員在實現這一目標方面取得了重大進展。

由馬里蘭大學（UMD）、美國能源部（BoE）布魯克海文國家實驗室和美國陸軍研究實驗室領導的合作開發並研究了一種新的正極材料，其可使鋰離子電池電極的能量密度增加三倍。他們的研究發表在6月13日的《自然通訊Nature Communications》雜誌上。

「鋰離子電池由陽極和陰極組成，」 馬里蘭大學的科學家Xiulin Fan說，她還是該論文的主要作者之一。與在鋰離子電池中使用的商用石墨陽極相比，陰極的容量要大得多。陰極材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。

馬里蘭大學的科學家合成了一種新的正極材料，一種改進的和工程化的三氟化鐵（FEF3），它由成本低廉、環境友好的鐵和氟元素組成。研究人員一直致力於在鋰離子電池中使用諸如FEF3這樣的化合物，因為它們比傳統的正極材料具有更高的容量。

「通常在鋰離子電池中使用的材料是基於插層化學，」布魯克黑文的化學家Enyuan Hu和他也是該論文的主要作者之一。這種化學反應是非常有效的，然而，它只傳遞一個電子，所以陰極容量是有限的。一些化合物如FEF3能夠通過一種更複雜的反應機制轉移多個電子，稱為轉化反應。

山谷所示為布魯克黑文科學家展示了功能納米材料的中心。圖中從左到右是：（上排）Jianming Bai、Seongmin Bak和Sooyeon Hwang；（下排）Dong Su和Enyuan Hu

儘管FEF3有增加陰極容量的潛力，但由於其轉化反應的三個併發症：該化合物在鋰離子電池中沒有很好地工作過：能量效率差（遲滯）、反應速度慢和副反應會導致不良的循環壽命。為了克服這些挑戰，科學家們通過一種叫做化學替代的過程向鈷鐵氧體納米棒中加入鈷和氧原子。這允許科學家操縱反應途徑並使其更加「可逆」。

「當鋰離子被插入到FEF3中時，材料被轉化成鐵和氟化鋰，」該論文的合著者、布魯克黑文功能納米材料中心（CFN）的科學家Sooyeon Hwang說。「然而，反應不是完全可逆的。用鈷和氧取代後，陰極材料的主要骨架保持較好，反應變得更可逆。」

為了研究反應途徑，科學家在CFN和國家同步輻射光源II（NSLS-II）即布魯克黑文科學辦公室下的兩個能源部的實驗室進行了多次實驗。

首先在功能納米材料中心，研究人員用一束強大的電子束來觀察FEF3納米棒，解析度為0.1納米，這是一種叫做透射電子顯微鏡（TEM）的技術。TEM實驗使研究人員能夠確定納米結構在陰極結構中的確切尺寸，並分析結構在充放電過程的不同階段之間的變化。他們發現取代納米棒的反應速度更快。

「透射電子顯微鏡是一種在非常小的尺度上表徵材料的有力工具，它也能夠實時地研究反應過程，」 功能納米材料中心的科學家Dong Su說，他也是這項研究的聯合作者。「然而，我們利用透射電子顯微鏡只能看到一個非常有限的面積的樣品。我們需要依靠NSLS-II的同步加速器技術來了解整個電池的功能。」

馬里蘭大學隊，從左到右的圖片：Xiulin Fan, Xiao Ji, Fudong Han, 和 Zhaohui Ma

在NSLS-II的X射線粉末衍射（XPD）光束線中，科學家通過陰極材料引導超亮X射線。通過分析光是如何散射的，科學家們可以「看到」有關材料結構的附加信息。

「在X射線粉末衍射中，我們進行了對分布函數（PDF）測量，這能夠檢測局部鐵排序在大體積，」Jianming Bai，他是論文的共同作者，並且也是NSLS-II的一名科學家。「放電陰極的分布函數分析清楚地表明，化學替代促進電化學可逆性。」

結合先進的成像和顯微鏡是在CFN和NSLS-II技術評估陰極材料功能中的關鍵一步。「我們也進行了先進的計算方法，基於密度泛函理論解讀的反應機理在原子尺度上，」Xiao Ji說，他是本論文研究的共同作者，也是馬里蘭大學的科學家。這種做法表明，化學替代轉移到一個高度可逆反應降低鐵的和穩定的岩鹽相的顆粒大小。本研究策略可以應用於其他高能量轉換材料，在未來，該研究可用來提高電池系統的性能。

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