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锂电池的充电-充电周期加倍
2021年04月19日    阅读量:2587     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

电动汽车的推广极大地增加了对锂离子电池的需求。但是,作为电池主要阴极材料的钴和镍并不丰富。如果继续消耗,从长远来看将不可避免地增加成本,因此科学家一直在积极开发替代材料中国机械网okmao.com。由香港城市大学(CityU)的科学家牵头的联合研究小组开发了一种更加稳定的锰基正极材料。


与现有的钴和镍阴极材料相比,这种新材料具有更高的容量,并且更耐用-即使充电/充电循环次数增加一倍,也可以保留90%的容量。他们的发现为开发低成本,高效率的锂离子电池锰基正极材料提供了启示。


锂电池的充电-充电周期加倍 中国机械网,okmao.com


研究团队由城大物理系助理教授刘琦博士,南京科技大学和中国科学院物理研究所共同领导(IOPCAS)。他们的发现发表在科学期刊《自然可持续性》上,标题为“通过界面轨道有序稳定的LiMnO 2 阴极,以实现可持续的锂离子电池”。


锰基正极材料的技术瓶颈:低容量保持率


锂离子电池现在广泛用于手机和电动汽车。大多数阴极材料包含钴和镍,它们既不丰富,又在开采过程中对环境造成污染。因此,科学家正在寻找替代的阴极材料,例如锰(Mn)。


在领先的锰基候选材料中,LiMnO 2具有成本效益,更环保,理论容量更大的优点。然而,它在充电-充电周期中具有较差的稳定性。


可能会发生晶粒破裂,快速的结构退化和锰的严重溶解。循环时导致严重的容量衰减,因此缩短了其耐用性,从而阻碍了LiMnO 2在商业化锂离子电池中的应用。


图b显示了材料的Jahn-Teller变形。图c和d显示异质结构使界面轨道有序化,从而抑制了Jahn-Teller畸变。


锂离子电池正极材料的开发专家刘博士指出,锰基材料的结构不稳定性主要是由原子结构中的Jahn-Teller变形引起的。放电时,LiMnO 2中的Mn-O键将被拉长,这称为Jahn-Teller畸变。由于Mn 3+离子的电子轨道有一个大范围的共线轨道顺序,而没有扰动,因此产生了强的合作Jahn-Teller畸变。它们的原子结构很容易变形。

 

Liu博士和他的团队通过在原子结构中应用界面工程解决了这一问题,这干扰了远程共线轨道的有序性并抑制了大范围的Jahn-Teller畸变。


界面工程提高了结构稳定性


该团队通过从尖晶石Mn 3 O 4纳米壁阵列进行原位电化学转化制备了尖晶石层(异质结构)的LiMnO 2。发现在尖晶石和层状边界之间电子轨道几乎彼此垂直取向,导致界面轨道有序。刘博士解释说:“这引起了远程共线轨道顺序的干扰,因此抑制了Jahn-Teller畸变。”


他们的实验结果表明,这种异质结构设计有效地抑制了Jahn-Teller畸变。层状和尖晶石相的畸变程度分别仅为2.5%和5.5%,而层状LiMnO 2和尖晶石LiMnO 2的畸变程度分别为18%和16%。这意味着异质结构化的LiMnO 2表现出更高的结构稳定性。


研究小组还发现,尖晶石和层状相之间的体积变化相互抵消,从而使材料的总体积变化最小。结果,该材料表现出优异的结构稳定性。


此图显示了在尖晶石层界面中发现的界面轨道有序。信用:自然可持续性

循环寿命长


“目前在智能手机等电子产品中使用的LiCoO 2正极材料的容量约为165mAh / g,而我们的LiMnO 2 正极材料已经达到了254.3 mAh g-1的容量,这要高得多,” Dr。刘阐述。他补充说:“即使在1,000次循环中,商用LiCoO 2仍难以保持90%的容量。我们的材料在2,000次循环后已实现90.4%的高容量保持率,这表明使用寿命长。”他补充说。


他们是第一个采用界面轨道排序抑制Jahn-Teller畸变的团队。这种新颖的方法促进了可持续富锰阴极材料的开发,希望将其应用于可持续和商业化的储能设备中。刘博士总结说:“我们期待降低储能技术的成本,这可以促进能源结构朝着可持续发展的方向发展。我们的材料有可能替代目前商业化的钴材料,用于电子和电动汽车等应用。”


IOPCAS的研究员Liu博士,Gu Lin博士和NUST的Xia Hui教授是本文的相应作者。共同第一作者是来自中国科学院的博士后朱小慧,来自国际孔子科学研究院的孟凡奇博士和张庆华博士。其他团队成员包括城大PHY博士后研究员Zhu He博士,以及来自NUST,中山大学和美国阿贡国家实验室的合作研究人员。


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