文章來源于:全球地質礦產信息系統,原文鏈接:研究發現鈮可提高電池安全和容量
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據Mining.com網站報道,美國研究人員制作了一種具有新的晶體結構的五氧化二鈮材料,這種高性能材料可用于電池電極。 在發表于《自然-材料》(Nature Materials)期刊的論文中,科學家解釋稱,這種材料在提供良好儲存能力的同時,能夠加速鋰離子電池充電。 研究團隊指出,在充電過程中,鋰離子從正極移往通常由石墨構成的負極。在充電速度加快的情況,鋰金屬就會在石墨表面堆積。這種效應被稱為“析晶”(plating),將會降低電池性能,并導致電池短路、過熱和著火。 然而,五氧化二鈮卻不太容易析晶,有可能比石墨更安全和耐用。另外,其原子能夠以更多不同的穩定方式排列,不需要太多能量來重新配置。 在此項研究中,科學家制造了一種紐扣電池,或一種小型圓形電池設備,其電極材料采用了五氧化二鈮。五氧化二鈮為隱晶質結構,換句話說,就是原子排列無序。當電池多次充放電時,無序結構就變成了有序結構,即晶體。這種特殊結構在以前的科學文獻中未見報道。
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與無序排列相比,晶體結構使得充電期間鋰離子向陽極運移更容易、更快。 這一發現表明該材料有望實現快速充電,其他測試還表明它可以存儲大量電荷。 由于充放電循環過程中的變化復雜,因此還需要幾個互補的測試工具來全面了解。 劉玉資認為,“由于電子束聚焦樣品的很小一片區域,這項技術提供了這片特殊區域的詳細信息”。 這位科學家和同伴還運用同步加速器 X 射線衍射來驗證結構變化。此項技術涉及用高能X射線束來撞擊樣品,這些X射線束被材料中原子的電子散射。 在劉玉資看來,X射線衍射在提供整個材料樣品的總體結構變化的信息方面很有效。這也有助于研究電池電極材料,因為它們的結構往往因區域而異。 所以,利用X射線束從不同角度撞擊陽極材料,可以確認它沿表面和內部是均勻結晶的。 完成此項操作后,該團隊使用一種稱為X射線光電子能譜的工具來評估陽極材料。他們將X射線束射入陽極,以一定的能量從陽極中激發出電子。 該技術表明,當電池充電時,鈮原子會獲得多個電子。這表明陽極具有高存儲容量。 “使用傳統合成方法,比如使材料受熱和加壓,很難制造出高性能的五氧化二鈮晶體”,媒體聲明稱。 “本研究成功地采用了非傳統合成方法,即對電池進行充放電,可用于制造其他創新性電池材料。它甚至可能支持在其他領域制造新型材料,比如半導體和催化劑”。 |