隨著對智能手機，電動汽車和可再生能源的需求持續(xù)上升，研究人員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(chǎn)品中最常見的電池類型，也是存儲電網(wǎng)規(guī)模能源的潛在方式。布魯克海文國家實驗室的一個科學(xué)家小組已經(jīng)找到了一種提高鋰離子電池能量密度的方法，這可以使電池更耐用，并擴大風(fēng)能和太陽能的使用。該團隊研發(fā)出一種能夠使鋰離子電池電極能量密度新增三倍的陰極材料。

“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”該團隊的首席科學(xué)家秀林秀說。“陰極材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”

該團隊合成了一種新的陰極材料，一種改性形式的三氟化鐵（FeF3），由鐵和氟組成，價格低廉且環(huán)境友好，已知其本身具有比傳統(tǒng)陰極材料更高的容量。通常用于鋰離子電池的材料基于插層化學(xué);雖然有效，但它只傳輸單個電子，從而限制了陰極。然而，諸如FeF3的化合物可以通過稱為轉(zhuǎn)化反應(yīng)的更復(fù)雜的反應(yīng)機理轉(zhuǎn)移幾個電子。

盡管FeF3具有新增陰極容量的潛力，但該化合物在過去由于其轉(zhuǎn)化反應(yīng)的三個并發(fā)癥而在鋰離子電池中效果不佳：能效差（滯后），反應(yīng)速度慢，以及副反應(yīng)可以降低其騎行壽命。為了克服這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們通過稱為化學(xué)替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這讓科學(xué)家們操縱反應(yīng)途徑，使其更具“可逆性”。

用氧和鈷代替陰極材料可防止鋰破壞化學(xué)鍵并保留材料的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)鋰離子插入FeF3時，該材料轉(zhuǎn)化為鐵和氟化鋰。但是，反應(yīng)不是完全可逆的。但是，在用鈷和氧取代后，反應(yīng)變得更加可逆。

為了研究反應(yīng)途徑，科學(xué)家們進行了幾項實驗。首先，他們使用強大的電子束和稱為透射電子顯微鏡（TEM）的技術(shù)，以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒。這讓研究人員確定陰極中納米顆粒的確切尺寸，并分析陰極在充放電過程的不同階段如何變化。他們在替代納米棒中看到了更快的反應(yīng)。

“TEM是一種用于表征非常小長度材料的強大工具，它還可以實時研究反應(yīng)過程，”該團隊的科學(xué)家董蘇說。“但是，我們只能使用TEM看到樣品的有限區(qū)域。我們要同步加速器技術(shù)來了解整個電池的功能。“

因此，該團隊通過陰極材料發(fā)送了超亮X射線。通過分析光散射的方式，團隊可以發(fā)現(xiàn)有關(guān)材料結(jié)構(gòu)的其他信息。進一步的分析表明，該團隊的化學(xué)替代促進了電化學(xué)的可逆性。

研究人員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(yīng)機制。這表明化學(xué)取代通過減小鐵的粒徑和穩(wěn)定巖鹽相而將反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤赡娴臓顟B(tài)。該研究策略可應(yīng)用于其他高能轉(zhuǎn)換材料并改進其他類型的電池。