研究人员获得富锂电池阴极新发现有助于提高电动汽车续航里程-电子工程世界

据外媒报道，法拉第研究所CATMAT项目的部分成员、牛津大学的科学家们在研究下一代阴极材料时，对富锂阴极材料中氧-氧化还原过程有了新的理解，并提出可提高锂离子电池能量密度的方法。

牛津大学教授兼法拉第研究所首席科学家Peter Bruce教授表示：“在不断提高锂离子电池能量密度的过程中，能够利用氧-氧化还原阴极的潜力非常重要。此外，与目前商用富镍阴极相比，氧-氧化还原阴极也能带来更大改善的。深入了解氧-氧化还原的基本机理是制定策略、减少此类材料当前局限性的重要举措，可以推动其潜在商业应用的实现。”

法拉第研究所首席执行官Pam Thomas表示：“在英国电气化竞赛中找到开创性解决方案，需要针对行业相关目标进行大规模的集中研究。法拉第研究所研究人员此次的发现开启并加速了对电池材料研究方法的探索，从而提升未来电动汽车续航里程。通过使用英国Diamond Light Source和Royce Institute的先进设备，此次突破才得以实现，这也证明维系英国研究基础设施非常重要。”

前瞻技术，富锂电池,共振非弹性X射线散射（RIXS），分子氧

（图片来源：法拉第研究所）

提升电动汽车续航里程需要电池材料在较高的电压下存储更多的电荷，从而实现高“能量密度”。可增加锂离子阴极材料能量密度的方法比较有限，如目前大多数阴极材料采用层状过渡金属氧化物，并添加钴、镍和锰。还有一种研究方法可将电荷存储在氧化物离子以及过渡金属离子上。

多年来，使用这种氧-氧化还原材料提高阴极能量密度也是比较有潜力的方法。但是这种材料在首次充电时会发生结构变化（主要为不可逆变化），并导致之后的放电充电循环电压明显降低，从而阻碍了其在商用电池的潜在应用。

为发现氧-氧化还原反应机理并解释上述结构变化，全球的科学家们已开展了一段时间的研究，但仍然很难做出清晰解释。诸如共振非弹性X射线散射（RIXS）等技术在过去被成功地用于探测氧的变化。但通过与Diamond Light Source的研究人员合作，法拉第研究所的研究人员成功揭示出RIXS特征，表明大部分材料中的氧化物是分子氧，而非过氧化物或其他化合物。

巴斯大学和CATMAT首席研究员Saiful Islam教授表示：“计算模型证明，分子氧的变化可解释两种观察到的电化学反应，一是首次放电时的电压降低问题，二是结构变化问题。以上两种反应在材料的大部分地方可以得到解释。这种将分子氧和电压损失联系在一起的统一模型，可帮助研究人员提出切实可行的策略，避免氧-氧化还原引起的不稳定性，从而为实现更高可逆的高能量密度锂离子阴极提供可能途径。”

论文共提出六种极具潜力的策略，目前均在CATMAT项目进行研究。理解机械原理可加快这些领域的研究速度，为迭代、反复试验和错误尝试提供替代方案。在新研究方向上，研究人员正在开发一种独特的“上层结构”，控制过渡金属层中锂原子的顺序，从而提高结构稳定性并减少电压损失。

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