大容量&长寿命电池材料的开发:在原子水平上阐明锂离子电池的充电过程

电池性能劣化的主要原因是氧气释放和局部结构紊乱

2020年9月,由AIpatent认证专家库成员(欲知详情可联络support@aipatent.com)组成的研究小组宣布,利用透射电子显微镜,成功在原子水平上阐明了下一代锂离子电池的充电过程。预计该成果将影响大容量和长寿命电池材料的开发。

作为下一代大容量锂离子电池的正极材料,Li2MnO3等“锂过量体系”引起了人们的关注。这是因为其所含的锂离子数量是LiCoO2等传统材料的1.6倍。此外,可以在三维方向上进行锂原子的去除和插入,并且有望用作全固态电池材料。

另一方面,伴随着充放电循环的性能的迅速劣化是阻碍其实用化的障碍之一,而性能劣化的机制等尚未阐明。

此次,研究小组利用化学溶液解吸方法,使锂离子逐渐从Li2MnO3的单晶表面解吸(充电)从而制作出的样品中,具有由锂解吸区和未解吸区构成的纳米界面。用聚焦离子束(镓离子)切出该纳米界面以制备观察用样品,并使用STEM在原子水平上对该界面进行结构分析。

 实验方法概要

通过实验,在锂离子解吸区域中发现以下三点:“正极中的氧被分解并释放”,“仅伴随着氧气释放而进行充电的区域显示出晶格膨胀”,以及“金属元素Mn与锂离子在原子水平上互相混合”。换句话说,此项研究证实了“由充电而形成的独特原子结构与循环性能的迅速劣化有关。”

此外,还发现在锂离子解吸区域和未解吸区域之间的界面处,由部分Mn规则排列形成了新结构。同时证实在该界面区域中形成了位移,以补偿由于氧释放引起的晶格膨胀。由于Li2MnO3的充电是通过形成的纳米界面的移动实现,因此可以清楚地表明,释放氧气和位移时的移动是两个相互协调的独特过程。

左上方是初始样品的环形暗场STEM图像,右上方是锂解吸样品的环形暗场STEM图像;下方是锂解吸样品的环形暗场STEM图像的放大图:左起依次是锂未解吸区域、中间区域、锂解吸区域。

左上是从锂解吸样品获得的循环明场图像,左下是位移示意图,右上是从锂解吸样品的循环明场图像获得的应变图,右下是锂解吸过程的示意图。

研究小组认为,通过用与氧具有高结合性能的过渡金属(例如Co和Ni)取代一部分承担与充放电相关的氧化还原反应的Mn,有可能抑制氧气的释放和局部结构的紊乱,实现具有长寿命和大容量的锂离子电池。


发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注