鈦酸鋰納米花朵(圖片來源:布魯克黑文國家實驗室)
鋰離子
電池的工作原理是,在充電時,鋰離子在正極(陰極)和負極(陽極)之間移動;在放電時,鋰離子則以相反的方向移動。現(xiàn)在,智能手機、筆記本電腦和電動汽車所使用的鋰離子
電池通常都采用石墨陽極。在充電時,鋰離子會插入到石墨陽極中;在使用電池時,鋰離子則會從電池中退出。
雖然石墨能夠承受數(shù)百甚至數(shù)千次的充放電循環(huán),但是其不能存儲足夠多的容量,用于能源密集型應(yīng)用。例如,電動汽車的續(xù)航里程不夠長。此外,石墨無法以高速率(功率)充放電。因此,科學家們一直在尋找替代性陽極材料。
鈦酸鋰(LTO)就是一種很有發(fā)展前景的陽極材料,由鋰、鈦和氧構(gòu)成。除了能夠以高速率充放電之外,LTO還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性,并具有足夠的空間容納鋰離子(容量大)。不過,LTO的導電性很差,會導致鋰離子在該材料中的擴散速度很慢。
據(jù)外媒報道,紐約大學州立大學石溪分校(Stony Brook University)材料科學與化學工程系兼職教員兼化學系副教授Amy Marschilok表示:“純LTO的可用容量適中,但是不能快速輸送電能。” Amy Marschilok還擔任Center for Mesoscale Transport Properties的副主任,以及美國能源部布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)跨學科部門能源存儲部門經(jīng)理與科學家。她還表示:“高速率電池材料對于電動汽車、便攜式電動工具和應(yīng)急電源系統(tǒng)等需要在幾分鐘內(nèi)快速儲能的應(yīng)用非常具有吸引力。”
Marschilok還是布魯克黑文國家實驗室-石溪分校小組的成員,該小組從2014年開始合作研究LTO。在最近的研究中,該小組通過摻雜工藝在LTO中添加了氯,從而將其容量提高了12%。
石溪分校化學系杰出教授Stanislaus Wong,也是學生研究團隊主要研究員,他表示:“受控的摻雜工藝能夠改變材料的電子和結(jié)構(gòu)特性。在我的團隊中,我們對采用化學知識來指導設(shè)計有利的結(jié)構(gòu)-特性相關(guān)性很感興趣。對于LTO,加入摻雜原子可以提高其導電性,使其晶格擴大,將鋰離子傳輸通道變寬?茖W家們已經(jīng)測試了很多不同類型的摻雜物,但是沒怎么研究過氯。”
為了制造摻雜了氯的LTO,該團隊采用了一種稱為水熱合成的溶液法。在水熱合成過程中,科學家在水中加入了一種含有相關(guān)前體(制成所需產(chǎn)品的反應(yīng)材料)的溶液,將該混合物放入到了密封容器中,并將其在相對適中的溫度和壓力下放置了一段時間。在此種情況下,為了擴大實驗規(guī)模,科學家選擇了液體鈦前體,而不是之前此類反應(yīng)中使用的固態(tài)鈦箔。將純LTO和摻雜了氯的LTO利用水熱合成處理36小時后,科學家采用了額外的化學處理步驟來分離所需的材料。該團隊還在布魯克黑文國家實驗室功能納米材料中心(CFN)的電子顯微鏡設(shè)施中采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行成像研究,發(fā)現(xiàn)兩種樣品都具有“花朵形狀”的納米結(jié)構(gòu),也表明化學處理過程并沒有破壞材料原有的結(jié)構(gòu)。
Wong表示:“我們的新型合成法促進了更快、更統(tǒng)一、更高效的反應(yīng),可以大規(guī)模制出此類3D納米“花朵”,而此種獨特的架構(gòu)有很大的表面積,“花瓣”從中心向外輻射,此種結(jié)構(gòu)也為鋰離子進入該材料提供了多種路徑。”
通過改變氯、鋰和前體的濃度、前體的純度以及反應(yīng)時間,科學家們找到了打造高晶體納米材料的最佳條件?茖W家們利用此類優(yōu)化過的樣品進行了幾次電化學測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在電池以高速率放電30分鐘時,摻雜氯的LTO有更大的可用容量,而且在電池充放電循環(huán)超過100次后,此種性能仍得以保持。
為了理解為何可以改進性能,該團隊采用了計算理論,對摻雜氯引起的結(jié)構(gòu)和電子變化進行了建模。在計算摻雜氯的LTO最穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)時,該團隊發(fā)現(xiàn),氯更喜歡替代LTO結(jié)構(gòu)中氧的位置。
接下來,該團隊將研究3D納米花朵形狀如何影響鋰離子傳輸。此外,他們也在探索其他原子級陽極和陰極替代材料,以改善鋰離子傳輸。
(責任編輯:子蕊)