美韓合作研發全硅高能量密度固態電池用于電動汽車、電網存儲

據外媒報道，包括兩名斯科爾科沃理工學院（Skoltech）科學家在內的國際研究小組通過實驗證明，長期以來對鋰離子電池能效低的解釋不成立。研究人員表示，這一現象涉及到正極中氧和過渡金屬原子之間緩慢的電子轉移，而不是原子本身進行遷移。

目前電動汽車和裝置中使用的鋰離子電池的容量，接近帶富鋰氧化物正極的同類產品所能提供容量的一半。而后者存在效率低下的技術問題，充電時耗費的電力要遠超過電池最終提供的電力。隨著時間的推移，尤其是在高耗能應用中，電力損耗逐漸累加，使這類電池難以投入商用。

為了挖掘帶富鋰氧化物正極的電池的潛力，研究人員必須了解導致其效率低下的潛在機制，準確找出損失能量的去向。以前對這一現象的解釋，技術上稱為電壓滯后。最近的研究提供實驗性證據，對以前的內容加以否定，并提出新的理論解釋。

當鋰離子電池充電時，鋰離子在兩個電極之間移動。在向負極移動時，它們會在正極上留下空位；而在另一半的循環過程中，鋰離子返回時伴隨著能量消耗，例如為手機充電。研究人員Anatoly Morozov表示：“在此期間，正極中的一些過渡金屬原子可能暫時侵入空位，然后再撤回，這一過程耗費了寶貴的能量。關于電壓滯后的舊理論大致如此。”

為了驗證這一解釋，研究人員在Skoltech高級成像核心設施（Skoltech’s Advanced Imaging Core Facility），在電池充放電循環的不同階段，使用透射電子顯微鏡來監測富鋰電池正極的原子結構。該正極由化學式為Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 的材料制成。然而，未發現鐵或鈦原子遷移到鋰空位的明顯跡象，這表明其他一些過程正在吸收能量。

研究人員 Artem Abakumov表示：“這一發現激發研究團隊從其他地方尋找電壓滯后的起因。引起這種現象的不是陽離子的可逆遷移，而是氧原子和過渡金屬原子之間可逆的電子轉移。當電池充電時，鐵中的一些電子被氧原子劫持，后來又返回。這種可逆轉移過程消耗了一些能量。

“從電子轉移的角度理解電壓滯后，可能對緩解這種不受歡迎的效應產生直接影響，從而使下一代鋰離子電池的能量密度達到創紀錄水平，為電動汽車和便攜式電子產品供電。為了實現下一步的目標，化學家們可以在元素周期表和‘化學柔軟度’等概念的指導下，通過改變陽離子-陰離子共價鍵來操縱電子轉移勢壘。”

Morozov表示：“這證明了先進的透射電子顯微鏡在破譯極端復雜的局部結構方面的能力。Skoltech的年輕研究人員能夠直接接觸到如同像差校正電子顯微鏡（aberration-corrected electron microscopes）這樣的尖端設備，并有機會接受進一步的培訓，這真是太棒了。這使我們能夠與學術界和產業界的國際同行合作，為頂級電池研究做出貢獻。”