今天在《自然能源》上發(fā)表的一篇新論文揭示了一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)如何能夠利用Diamond Light的RIXS(共振非彈性X射線散射)來完全識(shí)別重要的電池材料(富含鋰的NMC)中氧化氧的性質(zhì)。資源。該化合物正在緊緊考慮用于下一代鋰離子電池，因?yàn)樗梢蕴峁┍犬?dāng)前最先進(jìn)的材料更高的能量密度，這可以轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的電動(dòng)汽車行駛里程。他們希望他們的工作將使科學(xué)家能夠使用富含鋰的材料解決電池壽命和電壓衰減等問題。

牛津大學(xué)，亨利·羅伊斯和法拉第研究所以及鉆石光源的聯(lián)合研究小組發(fā)表的論文“與大量捕獲的分子O 2相關(guān)的富含鋰的3d陰極的第一循環(huán)電壓滯后”，英國(guó)國(guó)家同步加速器進(jìn)行了研究。他們的調(diào)查結(jié)果更好地了解了電池行業(yè)中一種重要的化合物，即富鋰NMC(或Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2)。

鉆石公司I21 RIXS的主要Beamline科學(xué)家Zhou Kejin解釋說：“我們的工作主要是了解神秘的第一周期電壓滯后，在該滯后中，O-氧化還原過程無法完全恢復(fù)，從而導(dǎo)致電壓損失，從而導(dǎo)致能量密度降低。 ”

同一研究小組在Diamond的I21光束線上對(duì)該過程進(jìn)行的先前研究(Nature 577，502-508(2020))報(bào)告說，在Na離子電池陰極中，電壓滯后與Nb的形成有關(guān)。由于在充電過程中過渡金屬離子的遷移，分子O 2被困在顆粒內(nèi)部。

他補(bǔ)充說：“我們目前的工作集中在富鋰材料Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2上。之前的主要發(fā)現(xiàn)表明，材料內(nèi)部形成了游離O 2分子，這在以前沒有得到認(rèn)識(shí)。這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵摬牧暇哂懈叩腡M-O價(jià)，這被認(rèn)為可以抑制分子O 2的形成。。我相信我們的工作將對(duì)未來的電池正極設(shè)計(jì)產(chǎn)生巨大影響，以最大程度地減少不穩(wěn)定的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。我們的工作對(duì)于解決與富鋰NMC有關(guān)的其他問題(例如電壓衰減)也具有重要意義，這些問題會(huì)阻礙其商業(yè)化，并最終發(fā)現(xiàn)可能能夠更可逆地利用O-redox的新材料。”

富鋰陰極材料是增加鋰離子電池能量密度的極少數(shù)選擇之一?？梢猿ミ@些結(jié)構(gòu)中幾乎所有的鋰，首先通過過渡金屬(TM)離??子的氧化，然后通過氧化離子的氧化來補(bǔ)償。但是，與這種O-redox充電過程相關(guān)的高壓在放電時(shí)無法恢復(fù)，從而導(dǎo)致所謂的電壓滯后和能量密度的顯著損失。這代表了阻礙開發(fā)這些材料的全部潛能的主要挑戰(zhàn)之一，對(duì)這一現(xiàn)象的理解仍然不完整。

“在我們的研究中，我們使用了HR RIXS(在Diamond的I21線的高分辨率共振非彈性X射線散射光譜學(xué))研究O-氧化還原過程。這就是材料存儲(chǔ)氧化物離子電荷的方式，而氧化物是電荷的一部分但是，這一過程對(duì)研究人員來說很難充分理解。這種材料在首次充電時(shí)會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致較大的電壓滯后，并且尚不清楚氧化物離子存儲(chǔ)能量的機(jī)理。”牛津大學(xué)材料系Rob House博士。他還補(bǔ)充說：

“我們獲得的數(shù)據(jù)使我們能夠分配以前通過RIXS技術(shù)檢測(cè)到的神秘光譜特征，但無法完全識(shí)別。我們能夠解決O 2分子振動(dòng)產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從而使我們能夠分配RIXS這些重要的電池材料具有這些特性，這些O 2分子被捕集在陰極材料的主體中，可以在放電過程中以較低的電壓重整為氧離子而不是最初的費(fèi)用。這為解釋O-氧化還原過程提供了一種新的機(jī)制，代表了電池材料向前邁出的重要一步。”