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　　科學家研發(fā)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(huán)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(shù)百個甚至數(shù)千個循環(huán)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(huán)穩(wěn)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。

　　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(guī)模生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)了制備高結晶度納米花的最佳條件。

　　在CFN上，該團隊根據(jù)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(tài)(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(tài)。

　　“XPS數(shù)據(jù)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(jīng)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(tài)的變化非常重要，因為該材料從絕緣體轉變?yōu)榘雽w，從而提高了電導率和鋰離子遷移率?！?/p>

　　利用優(yōu)化的樣品，科學家們進行了幾次電化學測試。他們發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(wěn)定，”Marschilok說。

　　為了理解為什么會出現(xiàn)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。。“理論是獲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?！?/p>

　　研究小組在計算使用氯摻雜的LTO時，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結構中的氧。

　　劉說：“這種替代將一個電子帶到系統(tǒng)中，導致電子重新分布?！薄八鼘е屡c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(zhàn)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(fā)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(yōu)勢?！?/p>