美韓合作研發(fā)全硅高能量密度固態(tài)電池用于電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)存儲(chǔ)

據(jù)外媒報(bào)道，包括兩名斯科爾科沃理工學(xué)院（Skoltech）科學(xué)家在內(nèi)的國(guó)際研究小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)鋰離子電池能效低的解釋不成立。研究人員表示，這一現(xiàn)象涉及到正極中氧和過(guò)渡金屬原子之間緩慢的電子轉(zhuǎn)移，而不是原子本身進(jìn)行遷移。

目前電動(dòng)汽車(chē)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(lèi)產(chǎn)品所能提供容量的一半。而后者存在效率低下的技術(shù)問(wèn)題，充電時(shí)耗費(fèi)的電力要遠(yuǎn)超過(guò)電池最終提供的電力。隨著時(shí)間的推移，尤其是在高耗能應(yīng)用中，電力損耗逐漸累加，使這類(lèi)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(dǎo)致其效率低下的潛在機(jī)制，準(zhǔn)確找出損失能量的去向。以前對(duì)這一現(xiàn)象的解釋?zhuān)夹g(shù)上稱(chēng)為電壓滯后。最近的研究提供實(shí)驗(yàn)性證據(jù)，對(duì)以前的內(nèi)容加以否定，并提出新的理論解釋。

當(dāng)鋰離子電池充電時(shí)，鋰離子在兩個(gè)電極之間移動(dòng)。在向負(fù)極移動(dòng)時(shí)，它們會(huì)在正極上留下空位；而在另一半的循環(huán)過(guò)程中，鋰離子返回時(shí)伴隨著能量消耗，例如為手機(jī)充電。研究人員Anatoly Morozov表示：“在此期間，正極中的一些過(guò)渡金屬原子可能暫時(shí)侵入空位，然后再撤回，這一過(guò)程耗費(fèi)了寶貴的能量。關(guān)于電壓滯后的舊理論大致如此。”

為了驗(yàn)證這一解釋?zhuān)芯咳藛T在Skoltech高級(jí)成像核心設(shè)施（Skoltech’s Advanced Imaging Core Facility），在電池充放電循環(huán)的不同階段，使用透射電子顯微鏡來(lái)監(jiān)測(cè)富鋰電池正極的原子結(jié)構(gòu)。該正極由化學(xué)式為L(zhǎng)i1.17Ti0.33Fe0.5O2 的材料制成。然而，未發(fā)現(xiàn)鐵或鈦原子遷移到鋰空位的明顯跡象，這表明其他一些過(guò)程正在吸收能量。

研究人員 Artem Abakumov表示：“這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)研究團(tuán)隊(duì)從其他地方尋找電壓滯后的起因。引起這種現(xiàn)象的不是陽(yáng)離子的可逆遷移，而是氧原子和過(guò)渡金屬原子之間可逆的電子轉(zhuǎn)移。當(dāng)電池充電時(shí)，鐵中的一些電子被氧原子劫持，后來(lái)又返回。這種可逆轉(zhuǎn)移過(guò)程消耗了一些能量。

“從電子轉(zhuǎn)移的角度理解電壓滯后，可能對(duì)緩解這種不受歡迎的效應(yīng)產(chǎn)生直接影響，從而使下一代鋰離子電池的能量密度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平，為電動(dòng)汽車(chē)和便攜式電子產(chǎn)品供電。為了實(shí)現(xiàn)下一步的目標(biāo)，化學(xué)家們可以在元素周期表和‘化學(xué)柔軟度’等概念的指導(dǎo)下，通過(guò)改變陽(yáng)離子-陰離子共價(jià)鍵來(lái)操縱電子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘。”

Morozov表示：“這證明了先進(jìn)的透射電子顯微鏡在破譯極端復(fù)雜的局部結(jié)構(gòu)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(shè)備，并有機(jī)會(huì)接受進(jìn)一步的培訓(xùn)，這真是太棒了。這使我們能夠與學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的國(guó)際同行合作，為頂級(jí)電池研究做出貢獻(xiàn)。”