研究發(fā)現(xiàn)電池中鋰離子的替代材料

圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院的材料科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了氟中鋰的潛在替代品，氟是一種相對(duì)豐富而輕的元素。他們的研究成果于12月7日發(fā)表在《材料化學(xué)雜志》上。

有趣的是，氟離子是鋰離子的反面，對(duì)電子具有zui強(qiáng)的吸引力，這使其易于進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。日本的研究人員也正在測(cè)試氟離子電池，以替代汽車中的鋰離子電池。他們說，這些電池可使電動(dòng)汽車一次充電即可行駛1,000公里(621英里)。但是，當(dāng)前的氟離子電池具有較差的可循環(huán)性-也就是說，隨著充放電循環(huán)，它們往往會(huì)迅速降解。

隨著越來越多地使用可充電電池為現(xiàn)代技術(shù)(尤其是電動(dòng)汽車)供電，研究人員一直在尋找可充電電池中鋰離子的替代材料。現(xiàn)代電池使用鋰和鈷，但是它們的供應(yīng)非常有限。

研究人員史蒂芬·哈特曼和羅漢·米斯拉采用了一種新的氟離子電池設(shè)計(jì)方法，該方法可以識(shí)別出兩種容易發(fā)生氟離子丟失或丟失的材料，同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行小的結(jié)構(gòu)變化以使其具有良好的可循環(huán)性。機(jī)械工程與材料科學(xué)助理教授Mishra表示，新型電池材料都是分層的電極。

米什拉說，電極是一類相對(duì)較新的材料，原則上已經(jīng)有50多年的歷史了，但是直到近10到15年才對(duì)它們的性能有了更好的了解。盡管這些材料像普通金屬一樣傳導(dǎo)電子，但與金屬中的“電子海”不同，在電子中電子在整個(gè)晶體中離域，但在電子中，電子像離子一樣位于晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的特定間隙位置。

Mishra說：“我們預(yù)測(cè)這些間隙電子可以很容易地被氟離子所取代，而不會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形，從而實(shí)現(xiàn)了可循環(huán)性。” 由于層狀電子的相對(duì)開放結(jié)構(gòu)，氟離子也可以很容易地移動(dòng)或擴(kuò)散。

哈特曼(Hartman)是材料科學(xué)與工程學(xué)院的校友，在洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室接受博士后獎(jiǎng)學(xué)金之前，他在米什拉(Mishra)的實(shí)驗(yàn)室獲得博士學(xué)位，他使用量子力學(xué)計(jì)算來測(cè)試數(shù)十種潛在的電池候選者。

哈特曼說：“我們預(yù)測(cè)，在這些層狀電子材料中，添加和去除氟離子會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化明顯變小，從而有助于實(shí)現(xiàn)更長的循環(huán)壽命。”

米什拉(Mishra)的實(shí)驗(yàn)室正在尋求與研究人員合作，這些研究人員可以合成本研究中確定的有希望的候選物，并在原型電池中對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

麥凱維工程學(xué)院由一群從事電池研究的跨學(xué)科教授組成。能源，環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)助理教授彭白近的研究使得能夠近似估算電池的電流密度閾值，并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)任何特定電流密度的短路時(shí)間。

能源，環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)教授Jason He近對(duì)將鋰離子電池電化學(xué)“重新填充”到廢電極中以再生有用的化合物(例如鈷酸鋰)進(jìn)行了可行性研究。

計(jì)算機(jī)化測(cè)試將氟化物引入了層狀氮化物氮化鈣和次碳化釔的間隙中。能量存儲(chǔ)能力接近鋰離子電池的性能。在氮化二鈣的情況下，它由相對(duì)豐富的元素組成，可以幫助克服鋰離子電池中當(dāng)前使用的元素的供應(yīng)短缺。

Hartman將電池研究與Mishra小組的其他一些研究進(jìn)行了對(duì)比，后者使用機(jī)器學(xué)習(xí)的“大數(shù)據(jù)”技術(shù)篩選了數(shù)千名候選人。

哈特曼說：“與我們進(jìn)行的其他研究相比，這需要更多的直覺和反復(fù)試驗(yàn)。” “原則上，您可以在常規(guī)電極中添加很多氟離子來存儲(chǔ)大量電荷，但是在實(shí)踐中，這些理論容量很難管理。當(dāng)我們?cè)诔Ｒ?guī)電極中添加氟離子時(shí)，它們會(huì)膨脹并急劇收縮。充放電，可能導(dǎo)致破裂和電接觸損失。”

小化此體積和形狀變化對(duì)于創(chuàng)建耐用的氟化物電池至關(guān)重要。