单晶电极可以加速新电池系统的设计

  能源部阿贡国家实验室(Argonne National Lab)的科学家们已经发明并测试了一种单晶电极,该电极有望在世界各地开发的电动汽车、消费类电子产品和其他应用领域的先进电池方面带来重大发现。西北大学和芝加哥伊利诺伊大学的研究人员参与了该项目。
  先进电池中的电极材料是多晶的,这意味着它们在不同的方向上有许多晶区,由于多晶电极的制造相对简单,过去科学家的电池研究主要集中在这些材料的实验上,这些材料在有序结构上存在各种各样的缺陷,这些缺陷往往影响电池的性能。
  我们认识到,单晶可以发挥重要作用,确定在原子和分子水平上控制多晶电极电池充放电过程的新方法,"Argonne国家实验室材料科学部助理科学家SanjaTepavcevic指出。
  作为研究其单晶阴极的模型系统,该团队选择了正在开发的钠离子电池,以与现有的锂离子电池竞争。
  该小组制备了氧化铱钠单晶(Na2IrO3),并将其用作小型试验电池的正极材料。为了比较,他们用多晶阴极测试了类似的电池。通过阿贡的科学设施,特别是先进的光子源,他们可以确定每个原子在晶体结构中的确切位置,以满足不同的电池充放电状态。
  Tepavcevic说:"如果没有先进光子源的特殊材料特性,这个项目就无法完成。"我们还得益于团队成员Jennifer洪郑的专业知识,他有世界一流的能力来生长符合精确规格的单晶。
  研究小组对实验电池充放电循环中的阴极化学进行了深入的研究。特别是,小组调查了NaIrO 3端点结构的起源,超出了预期的额外能力。Tepavcevic说:"用我们的单晶,我们可以将表面效应和体积效应分开,这在多晶材料的早期研究中并不明显。"该团队已经证明,额外的能力来自表面反应,而不是大多数之前认为的材料。
  为了改进电池的设计,了解电池在循环中发生物质变化的方式和原因是很重要的。通过测试结果,研究小组确定了充电过程中形成的三个不同相的化学结构,其中两个是以前未知的。他们还发现,由于充电过程中形成了一个新的有害相,电池容量随着循环而减弱,有害相在放电过程中持续存在,随着循环次数的增加而增加。
  我们从单晶电极上学到了更多关于钠离子电池的知识,比我们在项目开始时预期的要多,"材料科学系的著名研究员JohnMitchell说。很明显,单晶打开了一个窗口,使我们更好地了解控制所有电池类型的能量储存和释放的化学和电子转换,以及它们在循环过程中的降解机制。有了这些知识,未来的电池研究人员将能够为合成具有所需功能的新的和改进的多晶材料制定设计规则。
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