隨著對智能手機，電動汽車和可再生能源的需求持續增長，科學家們正在尋找改進鋰離子電池的方法-鋰離子電池是家用電子產品中最常見的電池類型，也是電網規模儲能的有前途的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進具有長效電池的先進技術的發展，以及風能和太陽能的廣泛使用。現在，研究人員在實現這一目標方面取得了重大進展。

由馬里蘭大學(UMD)，美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室和美國陸軍研究實驗室的科學家領導的合作開發并研究了一種能夠使鋰離子能量密度增加三倍的新型陰極材料。電池電極。他們的研究成果于6月13日在NatureCommunications上發表。

“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”UMD科學家和該論文的主要作者之一的秀林秀說。“與鋰離子電池中使用的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量更加有限。陰極材料始終是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”

UMD的科學家們合成了一種新的陰極材料，這是一種改良的工程形式的三氟化鐵(FeF3)，由經濟有效和環境友好的元素-鐵和氟組成。研究人員一直對在鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因為它們具有比傳統陰極材料更高的容量。

“通常用于鋰離子電池的材料都是基于插層化學，”布魯克海文的化學家和該論文的主要作者之一EnyuanHu說。“這種類型的化學反應是非常有效的;但是，它只轉移一個電子，因此陰極容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過更復雜的反應機制轉移多個電子，稱為轉化反應。”

盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合物在鋰離子電池中的表現并不理想，因為其轉化反應存在三個并發癥：能效差(滯后)，反應速度慢，副反應可能導致循環壽命不佳。為了克服這些挑戰，科學家們通過一種稱為化學替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使科學家能夠操縱反應途徑并使其更具“可逆性”。

“當鋰離子被插入到FeF3中時，這種物質會轉化為鐵和氟化鋰，”該論文的合著者和布魯克海文功能納米材料中心(CFN)的科學家SooyeonHwang說。“然而，反應不是完全可逆的。用鈷和氧取代后，陰極材料的主要骨架更好地保持，反應變得更加可逆。”

為了研究反應途徑，科學家們在CFN和國家同步加速器光源II(NSLS-II)-布魯克海文的兩個DOE科學用戶設施辦公室進行了多次實驗。

首先在CFN，研究人員使用強大的電子束以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒-一種稱為透射電子顯微鏡(TEM)的技術。TEM實驗使研究人員能夠確定陰極結構中納米顆粒的確切尺寸，并分析結構在充電-放電過程的不同階段之間如何變化。他們看到取代納米棒的反應速度更快。

“TEM是一種用于表征非常小尺度材料的強大工具，它還能夠實時研究反應過程，”CFN的科學家和該研究的共同作者DongSu說。“然而，我們只能使用TEM看到非常有限的樣品區域。我們需要依靠NSLS-II的同步加速器技術來了解整個電池的功能。”

在NSLS-II的X射線粉末衍射(XPD)光束線上，科學家們通過陰極材料引導了超亮X射線。通過分析光散射的方式，科學家們可以“看到”有關材料結構的其他信息。

“在XPD，我們進行了配對分布功能(PDF)測量，能夠檢測大量的當地鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學家白建明說。“對放電陰極的PDF分析清楚地表明，化學替代促進了電化學的可逆性。”

在CFN和NSLS-II上結合高度先進的成像和顯微技術是評估陰極材料功能的關鍵步驟。

“我們還進行了基于密度泛函理論的先進計算方法，以破解原子尺度的反應機制，”UMD的科學家，該論文的共同作者肖驥說。“這種方法表明化學替代通過減少鐵的粒徑和穩定巖鹽相將反應轉變為高度可逆的狀態。”UMD的科學家表示，這種研究策略可以應用于其他高能轉換材料，未來的研究可能使用該方法來改進其他電池系統。