鉅大LARGE | 點擊量：298次 | 2024年08月15日
科學家研發新方案 提高鋰電池電池容量
科學家通過一種具有獨特花形納米結構的有前途的高速率電極材料，在許多充電和放電循環中提高了科學家的電池容量。
鈦酸鋰（鋰，鈦，氧）“納米花”的掃描電子顯微鏡圖像。圖片：BNL）
鋰離子電池的工作原理是，在充電過程中將鋰離子在正極（陰極）和負極（陽極）之間打亂，并在放電過程中沿相反的方向穿梭。我們的智能手機，筆記本電腦和電動汽車通常使用鋰離子電池，其負極由石墨（一種碳）制成。在為電池充電時，鋰會插入石墨中，而在使用電池時會被取出。
盡管石墨可以在數百個甚至數千個循環中可逆地充電和放電，但它可以存儲的鋰容量，不足以用于高能耗的應用。例如，電動汽車只能行駛那么遠，就需要充電。此外，石墨不能以很高的速率（功率）進行充電或放電。由于這些限制，科學家一直在尋找替代陽極材料。
一種有希望的陽極材料是鈦酸鋰（LTO），它包含鋰，鈦和氧。除了其高倍率性能外，LTO還具有良好的循環穩定性，并在其結構內保持空位以容納鋰離子。但是，LTO導電性差，鋰離子擴散到材料中的速度很慢。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
“純LTO具有適度的可用容量，但可以快速提供動力，”化學系副教授，石溪大學材料科學與化學工程系兼職教員艾米·馬斯霍洛克（AmyMarschilok）表示，她還曾擔任美國中型運輸性質中心（m2M）副主任，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室跨學科科學部儲能部門經理和科學家?！案咚俾孰姵夭牧蠈τ谙Ｍ趲追昼妰瓤焖偈褂么鎯Φ哪芰康膽镁哂形Γ珉妱悠?，便攜式電動工具和應急電源系統?！?/p>
Marschilok是布魯克海文實驗室跨學科研究小組的成員，該小組于2014年開始合作進行LTO研究。在他們的最新研究中，他們通過稱為摻雜的過程添加氯，將LTO的能力提高了12％。
“受控摻雜可以改變材料的電子和結構特性，”石溪大學化學系杰出教授斯坦尼斯勞斯·王（StanislausWong）解釋說，他還是黃氏集團學生團隊的首席研究員?！霸谖业男〗M中，我們對開發和使用化學方法來指導有利的結構特性相關性感興趣。對于LTO，摻入摻雜劑原子可以提高電導率并擴展晶格，從而使鋰離子遷移的通道變寬。科學家已經測試了許多不同類型的摻雜劑，但是對氯的研究還不夠多?！?/p>
為了制造“氯摻雜”LTO，該團隊使用了一種稱為水熱合成的基于溶液的方法。在水熱合成中，科學家將一種溶液添加到水中，該溶液中含有相關的前體（能反應形成所需產物的物質），將混合物置于密封的容器中，并使其在相對適度的溫度和壓力下暴露一定的時間。
在這種情況下，為了擴大操作規模，科學家選擇了液態鈦前體，而不是先前在這些類型的反應中使用的固態鈦箔。在將純LTO和摻氯LTO進行水熱合成36小時后，他們進行了額外的化學處理步驟以分離所需的材料。
該團隊在布魯克黑文功能納米材料中心（CFN）的電子顯微鏡設施中使用掃描電子顯微鏡（SEM）進行的成像研究表明，兩種樣品類型均具有“花狀”納米結構的特征。該結果表明化學處理沒有破壞原始結構。
Wong說：“我們新穎的合成方法有助于大規模生產這些3-D納米花的反應更加迅速，均勻和有效?！薄斑@種相對獨特的建筑具有較高的表面積，從中央核心徑向散布著花朵狀的”花瓣”。這種結構為鋰離子進入材料提供了多種途徑。
通過改變氯，鋰和前體的濃度；前體的純度；以及反應時間，科學家們發現了制備高結晶度納米花的最佳條件。
在CFN上，該團隊根據樣品與X射線和電子的相互作用方式進行了一些表征實驗：X射線衍射獲得結晶度信息和化學成分，SEM觀察形態（形狀），能量色散X射線光譜繪制元素分布圖，并使用X射線光電子能譜（XPS）確認化學成分并得出化學氧化態。
“XPS數據是這項研究的關鍵，因為它們證明鈦（通常在LTO中以4+的形式存在，意味著已經除去了四個電子）被還原為3+，”CFNInterfaceScience的研究人員XiaoTong表示。和催化小組?！斑@種化學狀態的變化非常重要，因為該材料從絕緣體轉變為半導體，從而提高了電導率和鋰離子遷移率?！?/p>
利用優化的樣品，科學家們進行了幾次電化學測試。他們發現，在30分鐘內電池放電的高速率條件下，摻氯的LTO具有更大的可用容量。在超過100個充電/放電循環中保持了這一改進。
“含氯的LTO不僅在開始時會更好，而且隨著時間的推移也會保持穩定，”Marschilok說。
為了理解為什么會出現這種改善，研究小組轉向了計算理論，對氯摻雜引起的結構和電子變化建模。
“在進行基礎科學實驗時，我們需要了解觀察到的東西，才能了解材料的功能，并獲得有關如何改善材料性能的見解，”布魯克海文化學系的化學家劉平解釋說。?！袄碚撌谦@得這種機械理解的一種非常有效的方法，特別是對于LTO這樣的復雜材料。”
研究小組在計算使用氯摻雜的LTO時，在能量上最穩定的幾何形狀中發現，氯更喜歡替代LTO結構中的氧。
劉說：“這種替代將一個電子帶到系統中，導致電子重新分布。”“它導致與氯直接相互作用的鈦從4+減少到3+，與實驗XPS結果一致。我們還進行了計算，結果表明，一旦用氯代替了氧氣，放電時LTO中就會插入更多的鋰。氯比氧氣大，因此它為鋰的運輸提供了擴大的通道?！?/p>
接下來，研究小組正在研究3-D納米花的微觀結構如何影響運輸。他們還正在探索陽極和陰極材料中的其他原子級替代物，這些替代物可能會改善運輸。
“通過一種方法同時提高電子和離子電導率通常具有挑戰性，”Marschilok說。“但是，除了提高任何一種材料的性能之外，在m2M上，我們一直在考慮設計模型研究，這些研究可以向科學界展示綜合開發新電池材料的方法。材料合成，先進的材料表征和計算理論的結合，以及StonyBrook和Brookhaven之間的合作，是m2M工作的優勢。”
