新發現將對未來電池正極的發展產生巨大影響

今天在《自然能源》上發表的一篇新論文揭示了一個研究團隊如何能夠利用Diamond Light的RIXS(共振非彈性X射線散射)來完全識別重要的電池材料(富含鋰的NMC)中氧化氧的性質。資源。該化合物正在緊緊考慮用于下一代鋰離子電池，因為它可以提供比當前最先進的材料更高的能量密度，這可以轉化為更長的電動汽車行駛里程。他們希望他們的工作將使科學家能夠使用富含鋰的材料解決電池壽命和電壓衰減等問題。

牛津大學，亨利·羅伊斯和法拉第研究所以及鉆石光源的聯合研究小組發表的論文“與大量捕獲的分子O 2相關的富含鋰的3d陰極的第一循環電壓滯后”，英國國家同步加速器進行了研究。他們的調查結果更好地了解了電池行業中一種重要的化合物，即富鋰NMC(或Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2)。

鉆石公司I21 RIXS的主要Beamline科學家Zhou Kejin解釋說：“我們的工作主要是了解神秘的第一周期電壓滯后，在該滯后中，O-氧化還原過程無法完全恢復，從而導致電壓損失，從而導致能量密度降低。 ”

同一研究小組在Diamond的I21光束線上對該過程進行的先前研究(Nature 577，502-508(2020))報告說，在Na離子電池陰極中，電壓滯后與Nb的形成有關。由于在充電過程中過渡金屬離子的遷移，分子O 2被困在顆粒內部。

他補充說：“我們目前的工作集中在富鋰材料Li 1.2 Ni 0.13 Co 0.13 Mn 0.54 O 2上。之前的主要發現表明，材料內部形成了游離O 2分子，這在以前沒有得到認識。這是一個非常重要的發現，因為該材料具有更高的TM-O價，這被認為可以抑制分子O 2的形成。。我相信我們的工作將對未來的電池正極設計產生巨大影響，以最大程度地減少不穩定的蜂窩狀結構。我們的工作對于解決與富鋰NMC有關的其他問題(例如電壓衰減)也具有重要意義，這些問題會阻礙其商業化，并最終發現可能能夠更可逆地利用O-redox的新材料。”

富鋰陰極材料是增加鋰離子電池能量密度的極少數選擇之一。可以除去這些結構中幾乎所有的鋰，首先通過過渡金屬(TM)離??子的氧化，然后通過氧化離子的氧化來補償。但是，與這種O-redox充電過程相關的高壓在放電時無法恢復，從而導致所謂的電壓滯后和能量密度的顯著損失。這代表了阻礙開發這些材料的全部潛能的主要挑戰之一，對這一現象的理解仍然不完整。

“在我們的研究中，我們使用了HR RIXS(在Diamond的I21線的高分辨率共振非彈性X射線散射光譜學)研究O-氧化還原過程。這就是材料存儲氧化物離子電荷的方式，而氧化物是電荷的一部分但是，這一過程對研究人員來說很難充分理解。這種材料在首次充電時會經歷復雜的結構變化，從而導致較大的電壓滯后，并且尚不清楚氧化物離子存儲能量的機理。”牛津大學材料系Rob House博士。他還補充說：

“我們獲得的數據使我們能夠分配以前通過RIXS技術檢測到的神秘光譜特征，但無法完全識別。我們能夠解決O 2分子振動產生的精細結構，從而使我們能夠分配RIXS這些重要的電池材料具有這些特性，這些O 2分子被捕集在陰極材料的主體中，可以在放電過程中以較低的電壓重整為氧離子而不是最初的費用。這為解釋O-氧化還原過程提供了一種新的機制，代表了電池材料向前邁出的重要一步。”