中国粉体网讯 随着对智能手机，电动汽车和可再生能源的需求不断增长，科学家们正在寻求改进锂离子电池的方法。锂离子电池是家用电子产品中最常见的电池类型，也是电网规模储能的有发展前景的解决方案。提高锂离子电池的能量密度可以促进长效电池先进技术的发展，以及促进风能和太阳能的广泛使用。现在，研究人员在实现这一目标方面取得了重大进展。
由马里兰大学（UMD），美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室，美国陆军研究实验室的科学家领导的科研小组，合作开发并研究了一种能使锂离子电池电极能量密度提高3倍的新型阴极材料。他们的研究于6月13日在“Nature Communications”杂志上发表。
“锂离子电池包括一个阳极和一个阴极，”UMD的科学家，该论文的主要作者之一，Xiulin Fan说。“与用于锂离子电池的商用石墨阳极的大容量相比，阴极的容量受限得多，阴极（即正极）材料一直是进一步提高锂离子电池能量密度的瓶颈。”
UMD的科学家们合成了一种新的阴极材料，这种材料是一种经过改造和设计的三氟化铁（FeF3），由具有成本效益和环境友好的元素：铁和氟组成。研究人员一直对锂离子电池中使用FeF3等化合物感兴趣，因为它们具有比传统阴极材料更高的容量。
“通常用于锂离子电池的材料是基于插层化学的，”布鲁克海文的化学家，该论文的主要作者之一Enne Hu说。“这种类型的化学反应非常有效，但是它只转移一个电子，所以阴极的容量是有限的。一些化合物如FeF3能够通过一种更复杂的反应机制，（即转化反应）转移多个电子。”
图中所示为布鲁克海文实验室功能纳米材料中心的科学家。图为从左至右依次为：（上排）Jianming Bai, Seongmin Bak, 和Sooyeon Hwang；(下排) Dong Su 和 Enyuan Hu.
尽管FeF3具有提高阴极容量的潜力，但由于其转化反应的三大复杂因素，化合物在锂离子电池中一直没有很好地发挥作用：能量效率差（滞后），反应速度慢，而且副反应可能会导致电池循环寿命差。为了克服这些挑战，科学家通过化学取代的方法将钴和氧原子添加到FeF3纳米棒中。这使得科学家们可以操纵反应路径并使其更“可逆”。
“当锂离子嵌入到FeF3中时，该材料被转化成铁和氟化锂，”这篇论文的合著者、布鲁克海文功能纳米材料中心（CNF）的科学家 Sooyeon Hwang Sooyeon说。“然而，这种反应并不是完全可逆的，用钴和氧代替后，阴极材料的主要骨架保持得更好，反应变得更加可逆。”
为了研究反应路径，科学家们在CFN和国家同步辐射光源II（NSLS-II）——两个美国能源部布鲁克海文科学用户设施办公室进行了多次实验。
首先在CFN，研究人员使用强大的电子束以0.1nm的分辨率观察FeF3纳米棒（即TEM透射电子显微镜技术）。TEM实验使研究人员能够确定阴极结构中纳米颗粒的确切尺寸，并分析在充放电过程中不同相之间纳米粒子的结构变化。他们看到了用钴和氧取代的纳米棒的反应速度更快。
“透射电镜是一种非常有用的工具，可以在非常小的尺度上表征材料，并且它还能够实时研究反应过程，”CFN的科学家，该研究的共同通讯作者Dong Su说。“但是，我们只能通过透射电子显微镜看到非常有限的样品区域，我们需要依靠NSLS-II的同步加速技术来了解整个电池的功能。”
图片显示：马里兰大学科研团 队队员。从左至右依次为：Xiulin Fan, Xiao Ji, Fudong Han, 和 Zhaohui Ma.
在NSLS-II的X射线粉末衍射（XPD）光束线中，科学家们用超高亮度的X射线穿过阴极材料。通过分析光线散射的方式，科学家们可以“看到”关于材料结构的附加信息。
“在XPD中，我们进行了配对分布函数（PDF）测量，它们能够检测大量的局部铁排序，”该论文的合著者和NSLS-II的科学家Jianming Bai说。“对放电阴极的PDF分析清楚地表明化学取代促进了电化学可逆性。”
在CFN和NSLS-II上结合高度成像和显微技术是评估阴极材料功能的关键步骤。
“我们还采用了基于密度泛函理论的先进计算方法来解释原子尺度下的反应机理，”UMD的科学家，本文的共同作者Xiao Ji说。“这种方法表明，化学替代通过减少铁的粒径和稳定岩盐相，将反应转变为高度可逆的状态。”UMD的科学家表示，这一研究策略可以应用于其他高能量转换材料中，未来的研究可能会使用这一方法来改进其他电池系统。
文章来自techxplore网站，原文题目为 Tripling the energy storage of lithium-ion batteries，由材料科技在线汇总整理。
（中国粉体网编辑整理/墨玉）
