《新发现铌钨氧化物可用于电池快充技术》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2018-07-27
  • 《自然》(Nature)杂志7月25日报道,英国剑桥大学的研究人员发现,铌钨氧化物(NTO)可用于制造快充电池。虽然NTO晶体结构很复杂,但锂离子通过NTO的速度远远超过通过传统电极材料的速度。此外,NTO独特的物理结构和化学性质,对研究人员研究快充电池的安全性也有借鉴意义。

    目前,虽然智能手机的电池通过快充技术已经能够在数分钟内充满电,但电池技术的发展仍然阻碍了两类清洁技术(电动汽车和太阳能电网级存储)的广泛应用。剑桥大学化学系博士后研究员、论文第一作者肯特格里菲斯(Kent Griffith)说:“我们一直在苦苦寻找理想的快充电池材料。”

    电池的充电速度取决于锂离子的正极通过电解质移动到负极的速率。在寻找新型电极材料时,研究人员通常会试着让材料的粒径更小。格里菲斯解释说:“这样设计的思路是:减少锂离子的移动距离可使运移时间缩短,从而加快充电进程。然而,利用纳米技术制造的电池,电解质副反应很多,成本很高,电池寿命也较短。”剑桥大学化学系教授、论文资深作者克莱尔格雷(Clare Grey)补充说:“因此,我们将视线转向了某些固有特性符合需求的微米级材料。”最终,他们发现NTO可能是潜在的解决方案。

    NTO具有刚性的开放结构,稳定性好且不会“困住”锂离子。其较大的颗粒尺寸也避免了纳米级颗粒的缺陷。格里菲斯推测,NTO之前受到冷遇的原因在于其复杂的原子排列情况。然而,正是这种结构复杂性和混合金属的组成为NTO提供了独特的锂离子传输性能——研究人员利用脉冲场梯度(PFG)核磁共振波谱(NMR)技术,测量了锂离子在NTO中的移动速度,发现比常用电极材料高出若干数量级。NTO除具有高锂传输速率,其制造也较简单。格里菲斯说:“NTO无需额外的化学物质或溶剂就能制造,可扩展性良好。”此外,NTO作为电极材料,虽然电池电压较低,但这对安全性的好处毋庸置疑。

    格雷认为,虽然NTO可能只适用于某些特定应用,但继续发掘类似NTO的新化合物,对电池领域的持续发展很重要。

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    • 编译者:冯瑞华
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    • 据英国剑桥大学官网近日消息,该校研究人员在最新一期《自然》杂志上撰文指出,铌钨氧化物拥有更高的锂通过速度,可用于研制更快速充电的电池,而且,该氧化物的物理结构和化学行为有助他们深入了解如何构建安全、超快速充电电池。 在寻找新电极材料时,研究人员通常尝试使材料颗粒变得更小,但制造含有纳米粒子的实用电池很困难:电解液会产生更多不必要的化学反应,因此电池的使用寿命不长,而且制造成本也很高。最新研究中使用的铌钨氧化物具有坚硬而开放的结构,其不捕获插入的锂,并且粒子的大小比许多其他电极材料更大。 研究第一作者、剑桥大学化学系博士后研究员肯特·格里菲斯解释说:“许多电池材料都基于相同的两个或三个晶体结构,但这些铌钨氧化物根本不同。氧化物通过氧气‘支柱’保持打开,使锂离子能以三维方式穿过它们,这意味着更多锂离子可以穿过,且速度更快。测量结果也显示,锂离子通过氧化物的速度,以比在典型电极材料高几个数量级。” 除了高锂迁移率外,铌钨氧化物也易于制造。格里菲斯说:“许多纳米粒子结构需要多个步骤来合成,但这些氧化物很容易制造,不需要额外的化学品或溶剂。” 目前锂离子电池中的大多数负极都由石墨制成,石墨具有高能量密度,但当以高倍率充电时,往往会形成被称为“枝晶”的细长锂金属纤维,这会造成短路并导致电池着火,甚至发生爆炸。 格里菲斯说:“在高倍率应用中,安全性比其他任何操作环境都要重要。对于需要更安全的石墨替代品的快速充电应用而言,这些材料以及其他类似材料,绝对值得关注。”
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    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-03-06
    • 据外媒报道,法拉第研究所CATMAT项目的部分成员、牛津大学的科学家们在研究下一代阴极材料时,对富锂阴极材料中氧-氧化还原过程有了新的理解,并提出可提高锂离子电池能量密度的方法。牛津大学教授兼法拉第研究所首席科学家Peter Bruce教授表示:“在不断提高锂离子电池能量密度的过程中,能够利用氧-氧化还原阴极的潜力非常重要。此外,与目前商用富镍阴极相比,氧-氧化还原阴极也能带来更大改善的。深入了解氧-氧化还原的基本机理是制定策略、减少此类材料当前局限性的重要举措,可以推动其潜在商业应用的实现。” 法拉第研究所首席执行官Pam Thomas表示:“在英国电气化竞赛中找到开创性解决方案,需要针对行业相关目标进行大规模的集中研究。法拉第研究所研究人员此次的发现开启并加速了对电池材料研究方法的探索,从而提升未来电动汽车续航里程。通过使用英国Diamond Light Source和Royce Institute的先进设备,此次突破才得以实现,这也证明维系英国研究基础设施非常重要。” 提升电动汽车续航里程需要电池材料在较高的电压下存储更多的电荷,从而实现高“能量密度”。可增加锂离子阴极材料能量密度的方法比较有限,如目前大多数阴极材料采用层状过渡金属氧化物,并添加钴、镍和锰。还有一种研究方法可将电荷存储在氧化物离子以及过渡金属离子上。 多年来,使用这种氧-氧化还原材料提高阴极能量密度也是比较有潜力的方法。但是这种材料在首次充电时会发生结构变化(主要为不可逆变化),并导致之后的放电充电循环电压明显降低,从而阻碍了其在商用电池的潜在应用。 为发现氧-氧化还原反应机理并解释上述结构变化,全球的科学家们已开展了一段时间的研究,但仍然很难做出清晰解释。诸如共振非弹性X射线散射(RIXS)等技术在过去被成功地用于探测氧的变化。但通过与Diamond Light Source的研究人员合作,法拉第研究所的研究人员成功揭示出RIXS特征,表明大部分材料中的氧化物是分子氧,而非过氧化物或其他化合物。 巴斯大学和CATMAT首席研究员Saiful Islam教授表示:“计算模型证明,分子氧的变化可解释两种观察到的电化学反应,一是首次放电时的电压降低问题,二是结构变化问题。以上两种反应在材料的大部分地方可以得到解释。这种将分子氧和电压损失联系在一起的统一模型,可帮助研究人员提出切实可行的策略,避免氧-氧化还原引起的不稳定性,从而为实现更高可逆的高能量密度锂离子阴极提供可能途径。”论文共提出六种极具潜力的策略,目前均在CATMAT项目进行研究。理解机械原理可加快这些领域的研究速度,为迭代、反复试验和错误尝试提供替代方案。在新研究方向上,研究人员正在开发一种独特的“上层结构”,控制过渡金属层中锂原子的顺序,从而提高结构稳定性并减少电压损失。