阳极电池材料具有超快速充电和数千次循环的稳定操作

2019-03-09 09:30:53
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一个国际科学家团队 - 包括美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的几位研究人员 - 发现了一种具有超快速充电和数千次循环稳定运行的阳极电池材料。

在过去的几十年里,Argonne的多学科电池科学家团队通过对锂离子电池的大量材料进行广泛研究,在混合动力和全电动汽车以及固定能源领域的应用,帮助启动了现代能源存储竞赛。建筑物和电网的存储。

Argonne对锂离子电池创新材料的最新贡献之一是与北京清华大学和麻省理工学院的研究人员合作开发的含水化合物“钛酸锂水合物”。最近的Nature Communications文章中讨论过的这种材料可以取代锂离子电池中常用的石墨阳极。

正如Argonne电池科学家兼合着者Jun Lu所解释的那样,过去的研究已经确定钛酸锂是一种很有前途的阳极材料,因为它具有快速充电和长循环寿命的潜力,以及与石墨相比更安全的操作。在合成这种材料时,研究人员使用了一种水基工艺,其中包括将阳极材料加热到非常高的温度(高于500°C)的最后步骤,以完全驱除水。需要该步骤是因为在使用该材料的电池操作期间,水会与电解质反应并降低性能。

Argonne杰出研究员Khalil Amine也是该研究的共同作者,他指出,加热到如此高的温度会导致结构不必要的粗化和结块。国际团队发现,通过将阳极材料加热到更低的温度(低于260°C),它们可以去除表面附近的水,但是将水保留在大部分材料中而不会使结构粗化和结块。当科学家在实验室测试材料时,循环稳定性得到改善,容量仅略微超过10,000次循环。该团队发现,这种材料在不到两分钟的时间内也很快收费。如Jun Lu所述,“大多数时候,水对于非水锂离子电池来说是不好的。但在这种情况下,它可能是非常好的。”

该研究团队使用各种先进的表征技术跟踪材料成分和结构在加热时的变化,包括由位于阿贡的DOE科学用户设施Advanced Photon Source提供的X射线衍射。在分析组合特征数据时,该团队报告说,阳极材料中的被困水通过促进结构多样性和形成纳米结构来改善性能。上面的视频显示了组成和结构的变化,因为起始材料被加热并且水被排出以形成新的分层结构(LS),然后是所需的水合纳米结构(HN),然后超出所需的结构一直到完全脱水纳米结构(DN)。

展望未来,陆军观察到,由于水在自然界中无处不在,在化学合成中很常见,因此本研究报道的制造方法可以为发现其他高性能电极材料打开大门。

其他阿贡作者包括物理学家杨仁和张晓义,以及博士后研究员齐柳和徐旭。

该研究由能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室,国家科学基金会,国家自然科学基金和中华人民共和国教育部资助。科学家们使用了美国能源部科学办公室用户设施Advanced Photon Source的资源。

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