對單晶電極的研究可以加快新電池系統的設計
時間:2020-05-05 14:13來源:科技報告與資訊 作者:綜合報道
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科學博物館中展示的鉆石和其他晶體令人賞心悅目。造成它們有時令人眼花繚亂的幾何形狀和顏色的原因是原子的高度有序排列。對于電池電極中的晶體材料，其有序的微觀結構具有實用的優勢，可簡化充電和放電過程中電極內的離子遷移。
美國能源部（DOE）阿爾貢國家實驗室的科學家制造并測試了一種單晶電極，在全球范圍內為電動汽車，消費電子產品和其他應用開發的高級電池取得關鍵發現。來自西北大學和芝加哥伊利諾伊大學的研究人員在該項目上進行了合作。
先進電池中的電極材料是“多晶”的，這意味著它們具有許多不同取向的晶體區域。由于多晶電極的制造相對簡單，科學家過去將電池研究的重點放在了這些材料的實驗上，這些材料在有序結構中充滿了各種缺陷，這些缺陷通常會影響性能。
阿貢材料科學系的助理科學家Sanja Tepavcevic指出：“我們認識到，單晶在確定有前途的新方法方面發揮著至關重要的作用，這些新方法可以在原子和分子水平上理解控制多晶電極電池中充放電過程的化學變化“。
作為研究其單晶陰極的模型系統，該團隊選擇了正在開發的鈉離子電池來與當前的鋰離子電池競爭。這些電池的主要吸引力在于，鈉元素比鋰離子電池中使用的鋰要豐富得多。
該小組準備了鈉-銥氧化物（Na2IrO3）的單晶，并將其用作小型測試電池中的陰極材料。為了進行比較，他們還測試了具有多晶陰極的類似電池。通過利用阿貢的科學設施，特別是美國能源部科學用戶辦公室的高級光子源（APS），他們可以確定晶體中每個原子在不同的電池充放電狀態下的精確位置。
Tepavcevic說：“如果沒有APS的特殊材料表征資源，這個項目根本不可能實現。我們的團隊成員Jennifer Hong Zheng在將單晶體生長到精確規格方面具有世界一流的能力，這也使我們受益匪淺。”
在測試電池的充放電循環過程中，有關陰極化學的知識很多。特別是，研究小組調查了NaIrO3端點結構超出預期的額外容量的原因。Tepavcevic說：“使用我們的單晶，我們可以將表面效應與本體效應分開，這在早期的多晶材料研究中是不明顯的。” 研究小組證明，額外的容量來自表面反應，而不是先前認為的大部分材料。
對于改進電池設計而言，重要的是要知道在循環過程中如何以及為什么會發生材料變化。通過測試結果，研究小組確定了在充電過程中形成的三個不同相的化學結構，其中兩個以前是未知的。他們還發現，由于在充電時形成了新的有害相，因此電池容量隨循環而減弱，這種有害相在放電過程中持續存在，并且隨著循環次數的增加而增大。
“我們從單項電極中學到的鈉離子電池知識比項目開始時想象的要多，”阿貢材料科學部門的杰出研究員John Mitchell說。“顯然，單晶打開了一個窗口，可以更好地了解化學和電子轉變，這些轉變控制著所有類型電池的能量存儲和釋放，以及它們隨著循環的降解機理。 有了這些知識，未來的電池研究人員將能夠制定設計規則，以合成具有所需功能的新型和改良型多晶材料。”
論文標題為《Fundamental Insights from a SingleCrystal Sodium Iridate Battery》, 發表在《Advanced Energy Materials》上。
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