據(jù)外媒報道，一國際合作團(tuán)隊首次直接觀察到鋰電池材料中的陰離子氧化還原反應(yīng)。這項研究為改進(jìn)現(xiàn)有電池正極并提出新設(shè)計開辟了道路。

 

（圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)）

 

實現(xiàn)飛機和重型車輛電氣化，需要能量密度更高的電池。據(jù)該研究團(tuán)隊介紹，為了大幅提升電池技術(shù)，有必要進(jìn)行范式轉(zhuǎn)變。這要用到富鋰正極中的陰離子還原氧化機制。

 

參與本項研究的機構(gòu)包括卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）、東北大學(xué)（Northeastern University）、芬蘭拉彭蘭塔理工大學(xué)（LUT），以及日本群馬大學(xué)（Gunma University）、日本同步輻射研究所（JASRI）、橫濱國立大學(xué)（Yokohama National University）、京都大學(xué)（Kyoto University）和立命館大學(xué)（Ritsumeikan University）等日本機構(gòu)。

 

富鋰氧化物是富有前景的正極材料，已被證明具有更高的存儲容量。但是，電池材料必須能夠快速充電，在極端溫度下保持穩(wěn)定，并且可靠地循環(huán)數(shù)千次。為了解決這些問題，科學(xué)家們需要明確這些氧化物在原子層面是如何工作的，及其潛在的電化學(xué)機制。研究人員表示，高能量密度正極設(shè)計代表電池的下一個發(fā)展前沿。

 

普通鋰離子電池通過陽離子氧化還原工作，隨著鋰的插入或移除，金屬離子會改變其氧化態(tài)。在這一插入框架內(nèi)，每個金屬離子只能存儲一個鋰離子。然而，富鋰正極可以存儲的數(shù)量更多，研究人員將此歸因于陰離子氧化還原機制。在這種情況下，是氧氧化還原。這種機制歸功于材料的高容量，與傳統(tǒng)正極相比，其儲能幾乎翻番。

 

該團(tuán)隊利用康普頓散射為氧化還原機制提供確據(jù)。康普頓散射是指光子與粒子(通常是電子)相互作用后偏離直線軌跡的現(xiàn)象。研究人員在SPring-8進(jìn)行了復(fù)雜的理論和實驗研究，這是世界上最大的第三代同步輻射設(shè)施，由JASRI運營。同步輻射由窄而強的電磁輻射束組成，當(dāng)電子束被加速到(幾乎)光速時，并在磁場作用下被迫以彎曲的路徑行進(jìn)時，就會產(chǎn)生這些電磁輻射束，從而使康普頓散射變得可視化。

 

研究人員觀察，位于可逆和穩(wěn)定的陰離子氧化還原活動核心區(qū)域的電子軌道，如何成像和可視化，及其特征和對稱性是如何確定的。這一科學(xué)突破或?qū)氐赘淖兾磥淼碾姵丶夹g(shù)。先前的研究提出過關(guān)于陰離子氧化還原機理的其他解釋，但未進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)實驗測量，因此不能清晰地反映與氧化還原反應(yīng)有關(guān)的量子力學(xué)電子軌道。

 

研究團(tuán)隊首次得到一致的關(guān)于氧化還原特性的理論和實驗結(jié)果。主要研究人員Hasnain Hafiz表示：“我們的分析可以描繪出氧化還原機制中的氧狀態(tài)，這對電池研究至關(guān)重要。”

 

研究人員Venkat Viswanathan表示：“我們得到了確鑿證據(jù)，以支持富鋰電池材料中的陰離子氧化還原機制。我們的研究清楚地闡述富鋰電池在原子層面的工作原理，并提出設(shè)計下一代正極的途徑。高能量密度正極設(shè)計是電池領(lǐng)域的下一個發(fā)展前沿。”