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美国打造单晶电极 将为电动汽车研发具多晶材料的先进电池

  科学博物馆展出的钻石和水晶令人赏心悦目,其几何形状和颜色令人炫目,原因在于此类物体的原子排列极其有序。对于电池电极中的晶体材料而言,微观结构的有序排列对于电池充放电过程中,电极内的离子传输具有实际意义。


(图片来源:美国能源部阿贡国家实验室)

  据外媒报道,美国能源部阿贡国家实验室(the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory)打造并测试了一种单晶电极,有望为全球的电动汽车、消费电子产品和其他应用研发先进电池。美国西北大学(Northwestern University)和芝加哥伊利诺伊大学(the University of Illinois)的研究人员也参与了该项目。

  先进电池中的电极材料是“多晶”材料,因而具有多个方向不同的晶体区域。由于多晶电极的制造相对简单,过去科学家们一直将电池研究的重点放在如何对此类材料进行实验,因为此类材料虽然结构有序,但是充满了各种各样的缺陷,往往会影响到电池性能。

  该研究团队选择了正处于研发中的钠离子电池(与现有的锂离子电池形成竞争)作为模型系统,以研究单晶阴极。此类电池具有吸引力的主要原因在于,钠元素比锂离子电池中的锂储量要丰富得多。

  该团队制备了钠-氧化铱(Na2IrO3)单晶体,并将其作为小型测试电池的阴极材料。为了对比,研究人员还测试了具备多晶阴极材料的类似电池。利用阿贡实验室的科学设备,特别是DOE科学用户设备办公室的先进光子源(Advanced Photon Source,APS),研究人员确定电池处于不同充放电状态时,晶体结构中每个原子的确切位置。

  研究人员对测试电池充放电循环过程中阴极的化学性做了大量研究,特别是,该团队调查了超过NaIrO3端点结构预期额外容量的来源。研究人员表示:“利用我们的单晶体,我们能够将表面效应与体效应区分开来,而在早期的多晶材料研究中此种区分并不明显。”该团队证明,额外的容量来自于表面效应,而不是之前认为的体效应。

  改进电池设计的重要步骤就是了解电池充放电循环中,材料如何以及为什么发生变化。根据测试结果,该团队确定了在充电过程中会形成三个不同相的化学结构,其中两个是原先并不知道的。此外,还发现电池容量随着充放电循环而减弱,这是因为充电时形成了一个新型有害相,在放电时,该有害相还一直存在,并随着循环次数增加而增大。

  获得了上述成果,未来的电池研究人员将能够设定新型电池设计规则,合成新型、得到改进、具备所需功能的多晶材料。(余秋云)

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