斯坦福大学发现优化富锂阴极性能途径 推动未来电动汽车发展

2017-12-13 14:53:42·  来源:汽车制造网  作者:钟桦  浏览:333
   
富含锂的层状氧化物阴极对动力电池具有重大意义,因为在高于3.5V的高操作电压下其比容量经常超过200mAh g-1,与其具有〜145-165mAh g-1的常规层状对应物的性能。理论上,较高的能量密度可以在两次充电之间为EV提供30-50%的功率。
富含锂的层状氧化物阴极对动力电池具有重大意义,因为在高于3.5V的高操作电压下其比容量经常超过200mAh g-1,与其具有〜145-165mAh g-1的常规层状对应物的性能。理论上,较高的能量密度可以在两次充电之间为EV提供30-50%的功率。
 
然而,这些富含锂的材料大部分在循环中遭受电压降和容量衰减,从而限制了它们的作用。但是多年的研究还没有能够确定这种情况发生的原因。目前,来自斯坦福大学和三星的研究人员已经研究出这个原因并说明如何使这些阴极的高容量化学过程如何与原子结构的变化相联系,从而影响其性能。该小组的开放式论文出现在Nature Communications。
 
“这是个好消息。它为动力电池提供了一个新路径,通过控制原子结构随着电池充电和放电的演变而优化富锂阴极的电压性能。”斯坦福大学研究生和Siebel学者威廉·E·根特表示。
 
“如果能让这些富含锂的电极起作用,它们将成为电动汽车使用寿命更长的驱动器之一。汽车界有很大的兴趣来研究如何实施这些技术,了解技术上的障碍可以帮助我们解决阻碍它们的问题。”SLAC国家加速器实验室杰出的科学家Michael Toney表示。
 
研究人员在SLAC的斯坦福同步辐射光源(SSRL)和劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源(ALS)上用各种X射线技术研究阴极。由大卫·普伦德加斯特(David Prendergast)领导的伯克利实验室的分子铸造理论家也参与其中,帮助实验者理解寻找原因并解释其结果。
 
阴极本身是由三星高级技术学院使用商业相关的工艺制造的,并且组装成类似于电动车辆的电池。
 
这确保了结果将直接与我们的行业合作伙伴相关,根特说。作为ALS的博士生,他参与了这项研究的实验和理论建模。
 
电极可以吸收和释放更多的离子,可以储存的能量越多,电池越小越轻,电池可以缩小,电动汽车在充电之间行驶更多的里程。
 
斯坦福大学斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)研究员斯坦福大学教授William Chueh表示,目前的锂离子阴极的理论容量只有其一半左右。
 
“但是你不能把它充满。这就像是一桶水,你只能倒掉一半的水。这是现在这个领域面临的重大挑战之一:如何让这些阴极材料的性能达到理论水平?这就是为什么人们发现可以在富锂阴极上储存更多能量的时候一样。”威廉·朱表示
 
以前的研究表明,当富锂阴极充电时,有些情况会同时发生,Chueh说:“锂离子从阴极移出到阳极。一些过渡金属原子移动取代它们的位置。同时,氧原子释放一部分电子,建立电流和电压进行充电。”
 
当锂离子和电子在放电期间返回到阴极时,大部分过渡金属掺杂剂返回到它们原来的位置,这个来回会改变阴极的原子结构。
 
“我们知道所有这些现象可能都是相关的。现在SSRL和ALS的一套实验显示了连接它们的机制以及如何控制它们。这是一个重要的技术发现。”斯坦福大学研究生和Siebel学者威廉·E·根特表示。