İlerleme Lityum iyon piller için yüksek enerji yoğunluklu lityum bakımından zengin manganez bazlı katmanlı oksit katot malzemelerinin voltaj bozunma mekanizması üzerine araştırma ilerlemesi
Katmanlı oksit katot malzemesi (LiTMO2, TM 3 boyutlu geçiş metalidir), 300 Wh / kg'ın üzerinde yüksek enerji yoğunluklu lityum iyon piller elde etmek için anahtar malzemedir. Özellikle, kaya tuzu yapısal birimi Li2MnO3 ve altıgen katmanlı yapısal birim LiTMO2 tarafından oluşturulan lityum bakımından zengin manganez bazlı katmanlı oksit katot malzemesi (Li1 + xTM1-xO2 veya xLi2MnO3 · (1-x) LiMO2 olarak yazılabilir), Birinci nesil lityum iyon pil katot malzemesi LiCoO2'nin tersine çevrilebilir lityum depolama kapasitesi büyük ilgi gördü (300 mAh / g'ye kadar). Bununla birlikte, bu tür malzeme, pratik uygulamasını kısıtlayan ana darboğaz haline gelen elektrokimyasal döngü sırasında sürekli bir voltaj kaybına sahiptir. Lityum bakımından zengin manganez bazlı malzemelerin karmaşık yapısı ve kimyasal bileşimi nedeniyle, elektrokimyasal süreçte karmaşık yük telafisi meydana gelir ve yavaş yapısal değişikliklerle birlikte, voltaj bozulma mekanizmasının doğru bir şekilde anlaşılmaması ve kesin deneysel kanıtı vardır.
Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi, Yardımcı Araştırmacı Yu Xiqian, Grup E01 ve Dr. Enyuan Hu, Araştırmacı Xiao-Qing Yang, Araştırmacı Huolin Xin, Argonne, ABD Ulusal Laboratuvardan Araştırmacı Jun Lu, Araştırmacı Kahlil Amine ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden ilgili araştırmacılar, lityum bakımından zengin manganez bazlı katmanlı oksit katodu dikkatlice incelemek için yerinde X-ışını absorpsiyon spektroskopisi ve transmisyon elektron mikroskobu gibi gelişmiş karakterizasyon yöntemlerini kullandı. Malzemenin voltaj zayıflatma mekanizması (Şekil 1), redoks reaksiyonuna katılan kafes oksijen iyonlarının kararsızlığı ile voltaj zayıflaması arasındaki temel korelasyonu ve farklı elemanların voltaj zayıflaması üzerindeki etkisini açıklığa kavuşturdu ve ilgili çözümler önerdi. Araştırma sonuçları yakın zamanda "Nature Energy" de (Nature Energy, 2018, 3, 690-698, IF = 46.86) yayınlandı, makale Li ve Mn bakımından zengin katot materyallerinde redoks çiftlerinin evrimi ve voltaj azalmasının azaltılması başlıklı makale. oksijen salınımını azaltarak.
Araştırma ekibi, lityum iyon piller için lityum bakımından zengin manganez bazlı katmanlı oksit katot malzemesini (Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2) yerinde incelemek için senkrotron radyasyon X-ışını absorpsiyon spektroskopi teknolojisini kullandı ve özel olarak tasarlanmış simüle edilmiş bir pil (Şekil 2) ile birleştirdi. Farklı şarj-deşarj döngülerinin redoks reaksiyon mekanizması, geçiş metal katyonları Ni, Co, Mn ve kafes oksijen anyonlarının aynı anda redoks reaksiyonuna katıldığını, lityum depolama kapasitesine katkıda bulunduğunu ve elektrokimyasal döngü ile evrimleştiğini bulmuştur (Şekil 3). Kafes oksijen iyonları, büyük miktarda lityum depolama kapasitesine katkıda bulunmak için reaksiyona katılır, ancak kararsızdır.Mn ve Co, elektrokimyasal reaksiyona katılmak (azaltılır ve voltaj zayıflamasına neden olur) ve reaksiyondaki oksijenin kararsızlığından kaynaklanan kapasite kaybını telafi etmek için elektrokimyasal döngü ile kademeli olarak etkinleştirilir. . Yukarıdaki araştırma sonuçları, yüksek kapasite sağlamak için reaksiyona katılan kafes oksijenin reaksiyon mekanizması ile lityum bakımından zengin manganez bazlı malzemelerin voltaj zayıflaması arasındaki temel ilişkiyi açıkça ortaya koymaktadır. Elektrokimyasal döngü sırasında malzemenin kademeli olarak oksijen kaybettiği transmisyon elektron mikroskobu üç boyutlu görüntüleme teknolojisi ile ayrıca doğrulandı ve elektrolit ile elektrot materyali arasındaki reaksiyonun materyal kaybını artıracağı ve daha ciddi voltaj zayıflamasına neden olacağı bulundu (Şekil 4). Bu çalışma, lityum bakımından zengin malzemelerin gerilim zayıflamasının bastırılmasının, yüksek gerilim şarjı sırasında malzemedeki kafes oksijen iyonlarının kararlılığını iyileştirmeyi gerektirdiğini ve malzemedeki farklı elementlerin gerilim zayıflaması üzerinde farklı etkileri olduğunu göstermektedir. Bu bilgiler, lityumca zengin katmanlı oksit lityum pil katot malzemelerinin voltaj kaybı olmadan yüksek kapasiteli ve kararlı yapıya sahip tasarımı için fikirler ve deneysel temel sağlar. Ek olarak, bu aynı zamanda gerçek zamanlı olarak uzun vadeli döngüde lityum iyon pil malzemelerinin değerlik durumu evrimini ve performans bozunma mekanizmasını incelemek için senkrotron radyasyon deneysel teknolojisini kullanan ilk deneysel çalışmadır. Bu yöntem ve deneysel tasarım, uzun döngü yaşam döngülerinde pillerin ve pil malzemelerinin arıza mekanizmaları üzerine gelecekteki araştırmalar için önemli referans değerine sahiptir.
Senkrotron radyasyon kaynağı, pil malzemelerinin elektrokimyasal işleminin reaksiyon mekanizmasını incelemek için çeşitli tahribatsız yerinde deneysel teknikler sağlayabilir.Araştırmacı yardımcı araştırmacı Yu Xiqian ve Fizik Enstitüsü Temiz Enerji Laboratuvarı E01 araştırma grubunun araştırma ekibi, Batarya araştırması için yerinde deneysel yöntemler bir dizi araştırma sonucuna ulaşmıştır. Yakın zamanda, uluslararası meslektaşlarımla Chemical Reviews (2017, 117, 13123-13186, IF = 52.61) ve Accounts of Chemical Research (2018, 51, 290-298, IF = 20.96) gibi dergilerde senkrotron radyasyonu hakkında inceleme makaleleri yazmaya davet edildim. Batarya malzeme araştırmalarına uygulanan deneysel yöntemler. İlgili çalışma, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı Anahtar Ar-Ge Programı (2016YFA0202500), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı İnovasyon Grubu Fonu (51421002), Çin Bilimler Akademisi Yüz Yetenek Programı ve Merkez Organizasyon Departmanı Bin Genç Yetenek Programı tarafından desteklenmiştir.
Makale indirme bağlantısı:
https://www.nature.com/articles/s41560-018-0207-z
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.7b00506
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.7b00007
Şekil 1 (a) Şarj-deşarj eğrisi ve (b) Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2'nin farklı şarj-deşarj döngüleriyle döngüsel voltametri eğrisi.
Şekil 2 Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2'deki farklı elementlerin farklı şarj ve deşarj çevrimlerinde X-ışını absorpsiyon spektrumları.
Şekil 3 Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2'nin farklı şarj ve deşarj döngülerinde oksidasyon-indirgeme reaksiyonu (a) Farklı elementlerin farklı şarj ve deşarj döngülerindeki kapasiteye katkısı; (b) Elektronik yapıdaki değişikliklerin neden olduğu lityum iyonlarının depolama potansiyeli Değişim; (c) Farklı geçiş metallerinin redoks potansiyelindeki fark, voltaj zayıflaması ile ilgilidir.
Şekil 4 (a) ve (b) elektrokimyasal döngüden önce ve sonra elektrot parçacıklarının üç boyutlu morfolojisi; (c) ve (d) döngüden önce malzeme parçacıklarındaki dahili mikro gözenek boyutu dağılımının istatistikleri; (e) ve (f) döngüden sonra İç mikro gözeneklerin malzeme partiküllerinde gözenek boyutu dağılımının istatistikleri.
Editör: Aprilis
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
