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梯度富锂氧化物负极粒子用于电池

2020-01-27 12:02:06

富锂过渡金属氧化物(Li1+XM1-XO2)阴极具有应用于锂离子电池、电子设备和电动汽车的潜力。这些阴极具有很高的能量密度,通常在900 Wh kg-1以上,但它们目前也有很大的局限性。

在大多数富锂阴极中观察到的最关键的问题是,它们向电解质释放氧,因此,它们在使用过程中电压下降。这种重要的限制使它们多年来无法广泛使用。

麻省理工学院(MIT)的研究人员最近设计了一种有助于解决这一问题的策略,即免疫富含锂的氧化物阴极粒子以防止氧的释放。在《自然能源》上发表的一篇论文中概述了这一新策略,该策略包括熔融盐处理,通过使表面区域贫锂,消除富锂单晶向电解质释放的氧,同时仍使粒子内部的氧氧化还原贡献稳定。

“我们的主要目标是利用氧的氧化还原反应的能力,而不制造还原的氧离子。进行这项研究的研究人员之一李菊(音译,Ju Li)告诉TechXplore:“它们可以在全球范围内移动,这意味着它们可以从阴极粒子表面逃逸,并与电池内部的电解质发生反应。”

富锂阴极内还原氧离子与金属-过氧化物和金属-过氧化物络合物有一定的相似性;在动物体内血液运输氧气的化合物。过氧(O-)和超氧(O0.5-)物种在贡献容量的同时,具有比标准O2-更高的迁移率。在Li1 + XM1-XO2阴极。这些氧离子可以自由移动,最终从阴极粒子中逃逸出来,与液体电解质发生反应,污染液体电解质。

为了防止这种情况的发生,李和他的同事实施了一种高温下钼酸盐萃取氧化锂(LiO)的方法。他们发现,这种处理可以使表面获得组份Li1-X"M1+X"O2,而不破坏晶格连续性或产生多余的缺陷(外延),从而去除表面附近的过氧(O-)和超氧(O0.5-)物质,阻止富含li的单晶向电解质释放氧。

“我们进行了免疫治疗,所以大约10纳米厚的a表面区域缺氧,因此在电池循环中会格外稳定,”李说。“免疫治疗是在700°C的高温下进行的,所以当我们提取氧和锂时,晶格通过热退火自我修复,从Li-rich到Li-poor,没有额外的缺陷,也没有失去单晶粒子的完美晶格一致性。”

免疫策略由李和他的同事们不影响金属价态和Li-rich晶体内部结构的阴极,从而维持一个稳定的氧anion-redox (O2 -↔O)当电池操作能力的贡献。在测试评估他们的策略中,研究人员发现,它导致梯度混合阴离子,cation-redox (HACR)阴极与特定的密度或843 Wh公斤200周期在0.2摄氏度和808 Wh公斤后在1 c 100次后,与最低氧释放,从而降低消耗电池的电解液。

李说:“我们的研究证明,用极少量的电解液(工业水平的2g(电解液)/Ah)来循环一个充满电池的电池是可能的,这表明我们在利用氧的氧化还原能力的同时已经停止了氧的流失。”“这种所谓的‘固态氧’电池概念有可能将阴极的能量密度提高一倍。”

通过减少通常在锂离子丰富的阴极中观察到的氧的释放,李和他的同事们设计的策略最终可以促进锂离子电池的商业化和广泛使用。有趣的是,在他们的研究中概述的免疫治疗也可以应用于其他元素,帮助抑制或防止电池中意外的表面反应。在下一步的研究中,研究人员计划扩大富锂阴极电池的合成规模,进一步提高HACR阴极的压缩密度。


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