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科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹

时间: 2020-07-07 10:28:10 作者: 来源:网络 点击:
  据外国媒体报道,美国能源部布鲁克·海文国家实验室(BrookhavenNationalLab)和劳伦斯·伯克利国家实验室(LawrenceBerkeleyNationalLab)的科学家成功地实时捕捉到了钛酸锂(LTO)中锂离子的运动。钛酸锂是一种快速充电电池的电极材料,由锂、钛和氧组成。
  科学家们发现,锂及其周围原子在LTO中间产物中被扭曲和排列(锂离子浓度介于初始状态和终止状态之间),为锂离子的传输提供了一个"快速通道"。这一发现为改进电池材料的设计和加快电动汽车的充电速度提供了一个新的思路。布鲁克·休文实验室(Brooke Hewen Lab)科学系的材料科学家冯旺(音)说:"填充汽车的油箱只需几分钟,充电电动汽车的电池只需几个小时。"如何使锂离子在电极材料中移动得更快,有助于制造出更好的电池,大大缩短充电时间,是非常重要的。
  锂离子电池的工作原理是通过电解液使锂离子在正负极之间来回移动。石墨通常被认为是锂离子电池最先进的负极,但LTO是快速充电应用的一个有吸引力的替代方案。LTO可以快速容纳锂离子,而不需要锂沉积在电极表面而不是内部的影响。 当LTO容纳锂时,由初始相(Li4Ti5O12)转变为终止相(Li7Ti5O12),锂的导电性较差。 这就给科学家们制造了一个问题:如何让LTO电极快速充电。为了解决这个看似矛盾的问题,需要了解锂离子在LTO的中间结构(Li4Ti5O12和Li7Ti5O12之间锂离子浓度的结构)中是如何传输的。 从初始阶段到终止阶段只得到静态图像是不够的。
  然而,锂离子非常轻,如果使用传统的电子或X射线检测技术,就很难检测到它们。特别是在活性物质中快速移动的锂离子,如运行电池电极的LTO纳米粒子。在这项研究中,科学家们设计了一种电化学电池,可以在透射电子显微镜(TEM)中实时跟踪锂离子在LTO纳米粒子中的运动。在电池充放电过程中,用电子能量损失谱分析(EELS)测量了电子与样品相互作用后的能量变化,揭示了样品的局部化学状态。TEM中的EELS分析能够保持对锂离子的高灵敏度,提供高分辨率,并能在空间和时间上捕获纳米粒子中的离子输运。
  该团队在开发电化学功能电池方面已经克服了许多挑战。即使电池循环像普通电池,确保它足够小,以适应毫米样本空间的TEM。"为了测量锂的鳗鱼信号,样品必须非常薄,这比通常在TEM中探测电子所需的透明,"布鲁克林国家实验室凝聚态物理和材料科学部电子显微镜和纳米结构研究小组的高级科学家、电子显微镜和纳米结构团队负责人伊梅朱说。
  Eels光谱中包含的信息主要是关于锂在充放电过程中在不同LTO状态下的吸收和局部环境信息。为了破解这一信息,科学家在(Ceder)、伯克利新材料研究和实验设计中心(CFN)和布鲁克语言功能纳米材料中心(CFN)模拟了这些光谱,并在此基础上从数千种可能性中阐明了原子的排列。为了确定局域结构对离子运动的影响,Ceder群用量子力学方法计算了LTO中锂离子运动的势垒。

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