研究人员发现锂离子电池正极能量损失的原因

据外媒报道，一个国际团队发现了由复杂的富含过渡金属的锂氧化物作为正极的锂离子电池在充电和放电循环中能量损失的原因。该团队由斯科尔科沃理工学院以及法国、美国和瑞士的研究人员组成。这项新的研究表明，充电和放电过程中工作电压的差异导致能源效率低，这是由于镍的中间材料寿命长及其动力学阻碍。

随着电动汽车行业的快速发展，为了增加单次充电的续航里程，对锂离子电池的能量密度要求也更高。下一代动力电池基于领先的正极材料，如富含过渡金属的锂复合氧化物。由于过渡金属的阳离子和参与氧化还原反应的氧离子，这种正极材料目前保持着比容量的记录。然而，在电池运行过程中，电压滞后会导致能量损失，从而影响其实际应用。研究人员表示，在锂离子电池的充电过程中，带正电荷的锂离子会离开其在正极材料结构上的位置，并在电池放电时返回其原始位置。为了保持正极材料的电中性，它应该释放或吸收相同数量的电子。这项研究表明，在很大程度上，动力学势垒和能垒是由电子转移引起的，而不仅仅是锂离子的迁移。金属离子和氧原子之间的电子转移特别慢，导致能量损失。为了捕捉这些长寿命的电子态，研究人员首先排除了磁滞的其他可能原因，例如过渡金属离子迁移导致的正极晶体结构变化。通过高分辨率透射电子显微镜，即先进的成像核心设施Titan Themis Z显微镜，可以获得确凿的证据来证明这种不可逆的过程不会发生。Titan Themis Z的空间分辨率高达0.06纳米，可以获得晶体结构的原子分辨率图像。这台显微镜本身就是一个材料科学实验室，可以使用各种高度本地化的方法分析材料。在这项研究中，研究人员不仅使用了结构图像，还对镍和钛离子以及氧离子在不同电池充电状态下的电子状态进行了光谱分析。人们发现，正是氧化的镍离子形成了长寿命的电子态。后来，其他光谱分析方法也证实了这一点。Yaroslava Shakhova，先进成像核心设施的负责人，说：“这项研究表明，现代透射电子显微镜可以在具有高实用价值的材料研究中发挥独特作用。有针对性地开发具有独特功能的材料，从局部层面了解晶体和电子结构，具有重要意义。Skoltech有能力进行这方面的研究，这是一个重要的竞争对手e优势。"

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