Schichtoxidkathodenmaterial ist das Schlüsselmaterial zum Erzielen von Lithiumionenbatterien mit hoher Energiedichte über 300 Wh / kg, insbesondere durch die Steinsalzstruktureinheit Li 2MnO 3Und hexagonal geschichtete Struktureinheit LiTMO 2Lithiumreiches Mangan-basiertes geschichtetes Oxidkathodenmaterial (Li 1+xTM 1-xO2oder kann als xLi geschrieben werden 2MnO 3· (1-x) LiMO 2), weil es zweimal das positive Elektrodenmaterial LiCoO der Lithium-Ionen-Batterie der ersten Generation hat 2Reversible Lithiumspeicherkapazität und viel Aufmerksamkeit (bis zu 300 mAh / g). Jedoch sind solche Materialien eine anhaltende Spannungsabfall (Spannungs fade) elektrochemischen Zyklus eine Hauptengpaß ihre praktische Anwendung zu beschränken. Da die Lithium-Mangan-reiche basierte Materialien haben eine komplexe Struktur und chemische Zusammensetzung, Ladungsausgleich in komplexen elektrochemischen Prozessen durch langsamen Strukturwandel begleitet auftritt, hat der Mechanismus des Spannungsabfalles der Mangel an genauen Kenntnisse und schlüssigen experimentellen Beweis gewesen.
Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften / Key Laboratory of Clean Energy Beijing National Center for Physik der kondensierten Materie Gruppe E01 wissenschaftlicher Mitarbeiter mit Dr. Yu Xi Qian Brookhaven National Laboratory in den Vereinigten Staaten Enyuan Hu, ein Forscher Xiao-Qing Yang, Huolin Xin, Argonne National Labor Forscher Juni Lu, Kahlil Amine und das nationale Institut für Standards und Technologie Mitarbeiter in der Forschung Zusammenarbeit mittels in situ Röntgenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie fortgeschrittene dreidimensionale Abbildung der detaillierten Untersuchung des absorbierenden reichen Lithium-Manganoxid-Kathodenmaterials Layered zu charakterisieren Spannungsabfall-Mechanismen (Fig. 1), veranschaulicht die Sauerstoffionengitter in der Oxidations-Reduktions-Reaktion beteiligt ist, die mit der Instabilität der Natur und dem Einfluss der Spannungsdämpfungselemente unterschiedlicher Dämpfung der Spannung und den entsprechenden Lösungen. die kürzlich veröffentlichte Studie in - der „natürlichen Energie“ (Nature Energie 2018, 3, 690-698), ein Artikel mit dem Titel Evolution of Redoxpaare in Li- und Mn-reichen Kathodenmaterialien und Milderung von Spannungsüberblend durch Sauerstoff-Freisetzung verringern.
Team unter Verwendung von Synchrotron-Röntgenabsorptionsspektroskopie in Verbindung mit einem speziell konstruierten Batteriesimulation (Fig. 2), Lithium-Ionen-Batterie-situ-Untersuchung angereicherten Lithiummanganoxid Katodenmaterial Layered (Li 1.2Ni 0.15Co 0.1Mn 0.55O2in einem Redoxreaktion Mechanismus der Lade- und Entladezyklen verschieden), Übergangsmetallkationen Ni, Co, Mn und Sauerstoff Anionengitter gefunden, während in Redoxreaktionen beteiligt, der Lithiumspeicherkapazität Beitrag und Evolution (Fig. 3) mit elektrochemischen Zyklus auftritt. wobei der Gittersauerstoff von Lithium-Ionen in der Reaktions Beitrag großen Speicherkapazität, aber instabil, Mn und Co mit elektrochemischen Zyklus schrittweise Aktivierung der Teilnahme an der elektrochemischen Reaktion beteiligt ist (in einer Spannungsdämpfung resultierenden reduziert wird) Kapazitätsverlustkompensation und die Reaktion von der Instabilität aufgrund der Beteiligung von Sauerstoff zeigen deutlich die obigen Ergebnisse die Art der Wechselbeziehung zwischen der Beteiligung von Gittersauerstoff einen Hochleistungs-Lithium-reichen Reaktionsmechanismus zur Verfügung zu stellen und den Spannungsabfall auf Manganbasis eines Materials weiter durch den allmählichen Verlust des Materials während der elektrochemischen Zyklus TEM Bildgebungstechnologie bestätigt wird Sauerstoff, und ein Elektrolytmaterial wurde mit Sauerstoffelektroden reagieren gefunden wird Materialverlust erhöht und führt zu schwereren Spannungsabfall (Fig. 4). diese Studie zeigt, dass die Hemmung von Lithium reiche Materialien erforderlich, die Spannung zu erhöhen, mit einem Hochspannungsmaterial Gittersauerstoffionen Abschwächen während des Aufladens Stabilität und verschiedene Elemente im Material haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Spannungsabnahme Diese Information ist so ausgelegt, dass sie eine hohe Kapazität aufweist Keine Spannungsdämpfung und strukturelle Stabilität der Lithium reichen geschichtetes Lithiumoxid Kathodenmaterial bereitgestellt Ideen und experimentelle Basis. Darüber hinaus ist dies die ersten experimentellen Techniken unter Verwendung von Synchrotronstrahlung für Lithium-Ionen-Batterien während langen Zyklus Valenz evolution Echtzeit-Material situ- und Experimentelle Arbeiten zum Leistungsdämpfungsmechanismus Diese Methode und das experimentelle Design haben einen wichtigen Referenzwert für die zukünftige Erforschung des Versagensmechanismus von Batterie- und Batteriematerialien im langen Zykluslebenszyklus.
Synchrotron-Strahlung kann eine Vielzahl von experimentellen Techniken sorgt für zerstörungsReaktionsMechanismus der elektrochemischen Prozesse in situ Zellmaterialforschung, Yu Qian Xi und saubere Energie Physik-Labor, wo E01 Task Force Forschungsteam hat zur Entwicklung einer Batterie Forschung verpflichtet in-situ-experimentelle Methoden, haben wir eine Reihe von Studien, die kürzlich eingeladen und internationalen Kollegen der Chemical Research (2018, 51, 290-298) und anderen Zeitschriften einen Beitrag in Chemical Reviews (2017, 117, 13.123-13.186) und Konten schreiben Dieses Papier stellt die experimentellen Methode Synchrotronstrahlung Batteriematerialien. MOST bezogenen Arbeiten auf F & E-Programm konzentriert (2016YFA0202500), Bevölkerungs Innovation Fund NSFC (51421002), chinesische Akademie der Wissenschaften und die zentralen Organisation Abteilung Hunderttausende von Jugendprojekten unterstützt.
Abbildung 1 Li 1.2Ni 0.15Co 0.1Mn 0.55O2(a) Lade- und Entladekurven und (b) zyklische Voltammetriekurven für unterschiedliche Lade- und Entladezyklen.
Abbildung 2 Li 1.2Ni 0.15Co 0.1Mn 0.55O2Röntgenabsorptionsspektren verschiedener Elemente in verschiedenen Lade- und Entladungszyklen.
Abbildung 3 Li 1.2Ni 0.15Co 0.1Mn 0.55O2Verschiedene Entladungs Week Redox-Reaktion (a) von verschiedenen Elementen Week Beitrag verschiedenen Lade- und Entladekapazität, bringen (b) elektronische Strukturveränderung Änderung Lithiumion speichernden Potential, (c) unterscheidet sich von der Übergangsmetall redox Die Energiepegeldifferenz bezieht sich auf die Spannungsdämpfung.
Figur 4 (a) und (b) eine dreidimensionale Topographie von Teilchen in der Elektrode und nach dem elektrochemischen Zyklus;. (C) und (d) ein internes zyklischen Materialteilchen vor Mikroporengrße Verteilungsstatistiken, nach (e) und (f) -Zyklus Interne Mikroporenporengrößenverteilung in Materialpartikeln.
