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【工业之美】这种电极材料在充电中能自我修复,电池寿命有望大大延长了

文章出处: 人气:发表时间:2019-06-18

由东京大学研究生院的山田淳夫教授、大久保将史副教授、西村真一主任研究员组成的研究小组,发现了一种具备自我修复能力的电极材料。

5月16日,英国学术杂志《自然通讯》(Nature Communications)网络版刊发了这一电极材料的最新研究成果。

该电极材料在充电过程中能形成稳定的结构,每次充电都可进行自我修复,将有助于延长电池的寿命。

研究人员发现,这种自我修复现象是由材料内部的离子与空位间产生的强烈库仑引力引起的。简单地说,就是在充电过程中,由于离子与空位之间彼此强烈吸引,自发地形成了稳定的结构,从而实现自我修复。

新电极材料长时间充电放电的形象图。图片来源:Nature Communications

随着电动汽车、风电和光伏等技术的发展,人们对电池存储能力的需求在持续增长。但目前使用的电池,存储的电量有限,且随着反复的充电和放电,性能会逐渐降低,这一定程度上阻碍了新能源技术的广泛应用。

电池性能劣化,是导致电池寿命缩短的主要原因,也是限制二次电池储能的重要因素。

二次电池,又被称为充电电池或蓄电池,这种电池放电后又可通过充电的方式,使活性物质激活,继续使用,比如手机电池。

电极材料是二次电池的核心部件,其电力储存主要是通过电极材料解吸离子实现。因此,若想要储存更多的电力,就需要大量的离子从电极材料中脱离。但目前二次电池使用的电极材料,在储电过程中结构往往会发生劣化,降低电池性能。

例如,目前广泛使用的锂电池,锂离子从电极材料钴酸锂(LiCoO2)中脱离后,将会形成一定的空位,导致层叠紊乱,材料内部的结构因此变得不稳定。该空位需要由过渡金属来进行填补,例如钴酸锂中的钴,从而稳定其结构。但由于嵌入锂离子的空位逐渐减少,电池性能会大幅下降。

此次东京大学研究小组新发现的电极材料名为Na2MO3,它在储电时,结构中的积层错乱现象会逐渐消失,在充满电后,甚至能自我修复至完全没有结构错乱的状态。

以往的材料LiMO2等在充电时会发生结构破坏,但自我修复材料Na2MO3会在充电过程中修复堆叠缺陷。(图片来源:Nature Communications)

研究小组用X射线衍射法测量了该电极材料充电前的状态,其显示出了较宽的衍射线,表明它的结构中存在一定的积层错乱现象。但当钠离子脱离充电时,其显示出的衍射线逐渐变得尖锐,积层的错乱自发地消失了。

研究人员还发现,在反复充放电后,这种材料的自我修复能力依旧存在。这说明,该电极材料可进行巨大负荷的长时间充电和放电。

以往的材料充电时,X射线衍射线会变宽,发生结构劣化,但可自我修复材料充电时,X射线衍射线会变得尖锐,其结构能进行自我修复。图片来源:Nature Communications

通过X射线衍射法,研究小组更详细地研究了充电过程中电极材料的结构变化。他们发现,钠离子带正电荷,但当钠离子脱离后,产生的空位又带负电荷,因此结构中残留的钠离子与空位之间产生了强烈的库仑吸引力。

正是这种紧密拉扯的引力,在电极材料的自我修复中起到了重要的作用。

研究人员表示,该新材料的发现,解决了长期以来困扰人们的“存储大量电力时电极材料劣化”的难题。如果将这种库仑吸引力导入其它电极材料,或许也能实现自我修复能力,从而延长二次电池的使用寿命。

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