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　　科學(xué)家研發(fā)新方案提高鋰電池電池容量

　　科學(xué)家通過(guò)一種具有獨(dú)特花形納米結(jié)構(gòu)的有前途的高速率電極材料，在許多充電和放電循環(huán)中提高了科學(xué)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(guò)程中將鋰離子在正極(陰極)和負(fù)極(陽(yáng)極)之間打亂，并在放電過(guò)程中沿相反的方向穿梭。我們的智能手機(jī)，筆記本電腦和電動(dòng)汽車(chē)通常使用鋰離子電池，其負(fù)極由石墨(一種碳)制成。在為電池充電時(shí)，鋰會(huì)插入石墨中，而在使用電池時(shí)會(huì)被取出。

　　盡管石墨可以在數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)循環(huán)中可逆地充電和放電，但它可以存儲(chǔ)的鋰容量，不足以用于高能耗的應(yīng)用。例如，電動(dòng)汽車(chē)只能行駛那么遠(yuǎn)，就需要充電。此外，石墨不能以很高的速率(功率)進(jìn)行充電或放電。由于這些限制，科學(xué)家一直在尋找替代陽(yáng)極材料。

　　一種有希望的陽(yáng)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(huán)穩(wěn)定性，并在其結(jié)構(gòu)內(nèi)保持空位以容納鋰離子。但是，LTO導(dǎo)電性差，鋰離子擴(kuò)散到材料中的速度很慢。

　　該團(tuán)隊(duì)在布魯克黑文功能納米材料中心(CFN)的電子顯微鏡設(shè)施中使用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行的成像研究表明，兩種樣品類(lèi)型均具有“花狀”納米結(jié)構(gòu)的特征。該結(jié)果表明化學(xué)處理沒(méi)有破壞原始結(jié)構(gòu)。

　　Wong說(shuō)：“我們新穎的合成方法有助于大規(guī)模生產(chǎn)這些3-D納米花的反應(yīng)更加迅速，均勻和有效?！薄斑@種相對(duì)獨(dú)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(jié)構(gòu)為鋰離子進(jìn)入材料提供了多種途徑。

　　通過(guò)改變氯，鋰和前體的濃度;前體的純度;以及反應(yīng)時(shí)間，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了制備高結(jié)晶度納米花的最佳條件。

　　在CFN上，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)樣品與X射線(xiàn)和電子的相互作用方式進(jìn)行了一些表征實(shí)驗(yàn)：X射線(xiàn)衍射獲得結(jié)晶度信息和化學(xué)成分，SEM觀察形態(tài)(形狀)，能量色散X射線(xiàn)光譜繪制元素分布圖，并使用X射線(xiàn)光電子能譜(XPS)確認(rèn)化學(xué)成分并得出化學(xué)氧化態(tài)。

　　“XPS數(shù)據(jù)是這項(xiàng)研究的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈冏C明鈦(通常在LTO中以4+的形式存在，意味著已經(jīng)除去了四個(gè)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(xué)狀態(tài)的變化非常重要，因?yàn)樵摬牧蠌慕^緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體，從而提高了電導(dǎo)率和鋰離子遷移率?！?/p>

　　利用優(yōu)化的樣品，科學(xué)家們進(jìn)行了幾次電化學(xué)測(cè)試。他們發(fā)現(xiàn)，在30分鐘內(nèi)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(guò)100個(gè)充電/放電循環(huán)中保持了這一改進(jìn)。

　　“含氯的LTO不僅在開(kāi)始時(shí)會(huì)更好，而且隨著時(shí)間的推移也會(huì)保持穩(wěn)定，”Marschilok說(shuō)。

　　為了理解為什么會(huì)出現(xiàn)這種改善，研究小組轉(zhuǎn)向了計(jì)算理論，對(duì)氯摻雜引起的結(jié)構(gòu)和電子變化建模。

　　“在進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(guān)如何改善材料性能的見(jiàn)解，”布魯克海文化學(xué)系的化學(xué)家劉平解釋說(shuō)。。“理論是獲得這種機(jī)械理解的一種非常有效的方法，特別是對(duì)于LTO這樣的復(fù)雜材料?！?/p>

　　研究小組在計(jì)算使用氯摻雜的LTO時(shí)，在能量上最穩(wěn)定的幾何形狀中發(fā)現(xiàn)，氯更喜歡替代LTO結(jié)構(gòu)中的氧。

　　劉說(shuō)：“這種替代將一個(gè)電子帶到系統(tǒng)中，導(dǎo)致電子重新分布?！薄八鼘?dǎo)致與氯直接相互作用的鈦從4+減少到3+，與實(shí)驗(yàn)XPS結(jié)果一致。我們還進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，一旦用氯代替了氧氣，放電時(shí)LTO中就會(huì)插入更多的鋰。氯比氧氣大，因此它為鋰的運(yùn)輸提供了擴(kuò)大的通道?！?/p>

　　接下來(lái)，研究小組正在研究3-D納米花的微觀結(jié)構(gòu)如何影響運(yùn)輸。他們還正在探索陽(yáng)極和陰極材料中的其他原子級(jí)替代物，這些替代物可能會(huì)改善運(yùn)輸。

　　“通過(guò)一種方法同時(shí)提高電子和離子電導(dǎo)率通常具有挑戰(zhàn)性，”Marschilok說(shuō)?！暗牵颂岣呷魏我环N材料的性能之外，在m2M上，我們一直在考慮設(shè)計(jì)模型研究，這些研究可以向科學(xué)界展示綜合開(kāi)發(fā)新電池材料的方法。材料合成，先進(jìn)的材料表征和計(jì)算理論的結(jié)合，以及StonyBrook和Brookhaven之間的合作，是m2M工作的優(yōu)勢(shì)?！?/p>