对单晶电极的研究可以加快新电池系统的设计
时间:2020-05-05 14:13来源:科技报告与资讯 作者:综合报道
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科学博物馆中展示的钻石和其他晶体令人赏心悦目。造成它们有时令人眼花缭乱的几何形状和颜色的原因是原子的高度有序排列。对于电池电极中的晶体材料，其有序的微观结构具有实用的优势，可简化充电和放电过程中电极内的离子迁移。
美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室的科学家制造并测试了一种单晶电极，在全球范围内为电动汽车，消费电子产品和其他应用开发的高级电池取得关键发现。来自西北大学和芝加哥伊利诺伊大学的研究人员在该项目上进行了合作。
先进电池中的电极材料是“多晶”的，这意味着它们具有许多不同取向的晶体区域。由于多晶电极的制造相对简单，科学家过去将电池研究的重点放在了这些材料的实验上，这些材料在有序结构中充满了各种缺陷，这些缺陷通�；嵊跋煨阅�。
阿贡材料科学系的助理科学家Sanja Tepavcevic指出：“我们认识到，单晶在确定有前途的新方法方面发挥着至关重要的作用，这些新方法可以在原子和分子水平上理解控制多晶电极电池中充放电过程的化学变化“。
作为研究其单晶阴极的模型系统，该团队选择了正在开发的钠离子电池来与当前的锂离子电池竞争。这些电池的主要吸引力在于，钠元素比锂离子电池中使用的锂要丰富得多。
该小组准备了钠-铱氧化物（Na2IrO3）的单晶，并将其用作小型测试电池中的阴极材料。为了进行比较，他们还测试了具有多晶阴极的类似电池。通过利用阿贡的科学设施，特别是美国能源部科学用户办公室的高级光子源（APS），他们可以确定晶体中每个原子在不同的电池充放电状态下的精确位置。
Tepavcevic说：“如果没有APS的特殊材料表征资源，这个项目根本不可能实现。我们的团队成员Jennifer Hong Zheng在将单晶体生长到精确规格方面具有世界一流的能力，这也使我们受益匪浅。”
在测试电池的充放电循环过程中，有关阴极化学的知识很多。特别是，研究小组调查了NaIrO3端点结构超出预期的额外容量的原因。Tepavcevic说：“使用我们的单晶，我们可以将表面效应与本体效应分开，这在早期的多晶材料研究中是不明显的。” 研究小组证明，额外的容量来自表面反应，而不是先前认为的大部分材料。
对于改进电池设计而言，重要的是要知道在循环过程中如何以及为什么会发生材料变化。通过测试结果，研究小组确定了在充电过程中形成的三个不同相的化学结构，其中两个以前是未知的。他们还发现，由于在充电时形成了新的有害相，因此电池容量随循环而减弱，这种有害相在放电过程中持续存在，并且随着循环次数的增加而增大。
“我们从单项电极中学到的钠离子电池知识比项目开始时想象的要多，”阿贡材料科学部门的杰出研究员John Mitchell说。“显然，单晶打开了一个窗口，可以更好地了解化学和电子转变，这些转变控制着所有类型电池的能量存储和释放，以及它们随着循环的降解机理。 有了这些知识，未来的电池研究人员将能够制定设计规则，以合成具有所需功能的新型和改良型多晶材料。”
论文标题为《Fundamental Insights from a SingleCrystal Sodium Iridate Battery》, 发表在《Advanced Energy Materials》上。
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