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新理论解决了锂离子电池的能效问题

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2021年9月17日梅根·克雷格评论

一个由研究人员和两名斯科尔特科学家通过实验证明，长期以来对锂离子电池低能效的解释是不正确的。

新理论解决了锂离子电池的能源效率问题。 — 透射电子显微镜照片显示了电池充放电循环中三个不同阶段的阴极原子结构。白色三角形表示离子不合适或有缺陷。因为左边的照片显示阴极处于原始状态，所以没有缺陷。另外两张照片之间明显的离子迁移远远不足以解释观察到的电压滞后程度。（图片来源：李彪等人/自然化学）。

研究小组用阴极中氧原子和过渡金属原子之间缓慢的电子转移来解释这一现象，而不是原子本身的持久迁移。这项研究最近发表在自然化学杂志

目前，用于电动汽车和电子产品的锂离子电池的容量约为富锂氧化物阴极的一半。后者技术的缺点是效率低。

人们必须使用相当多的电力来为电池供电，而不是在适当的时候提供。随着时间的推移，主要是在消耗大量能源的应用中，这种损失的电量肯定会增加，使得这些类型的电池目前在市场上不可行。

为了揭示富含锂氧化物阴极的电池的性能，科学家们必须了解其低效的机理，并精确地了解损失的能量去了哪里。

最近的研究提供了实验证据，驳斥了以前对这种现象的解释——理论上称为电压滞后——并提供了一种新的理论来证明这一点。

当锂离子电池充电时，锂离子在两个电极之间移动。当离子向阳极移动时，它们会在阴极留下空间。在循环的另一半，锂离子会随着能量的使用而返回，例如，给手机充电。

然而，与此同时，构成阴极的一些过渡金属原子可能会暂时侵入空位，然后再次拉回，在这种跳跃上花费宝贵的能量。或者说，旧的电压滞后理论就这样消失了．

Anatoly Morozov，研究合著者和博士生，Skoltech

研究小组在斯科尔泰克公司的先进成像核心设备上使用透射电子显微镜，对锂离子电池阴极的原子结构进行了测试_1.17钛_0.33铁_0.5O₂在电池充放电循环的各个阶段。

然而，他们没有观察到任何值得注意的钛或铁原子向锂空位的迁移，这表明还有其他一些过程在利用这种能量。

我们的发现启发了研究小组去别处寻找电压迟滞的根源。造成这种现象的不是可逆的阳离子迁移，而是氧原子和过渡金属之间的电子可逆转移。当电池充电时，一些来自铁的电子被氧原子劫持。后来，他们又回去了。这种可逆的转移会消耗一些能量．

Artem Abakumov，Skoltech能源科学与技术中心主任兼教授欧洲杯线上买球

Abakumov继续说道,“从电子转移的角度来理解电压滞后现象，可能会对缓解这一不利影响产生直接影响，从而使下一代锂离子电池具有创纪录的能量密度，为电动汽车和便携式电子设备提供动力．”

”为了实现下一步，化学家可以在周期表和“化学柔软度”等概念的指导下，通过改变阴阳键的共价性来操纵电子转移势垒”阿巴库莫夫补充道。

这证明了先进的透射电子显微镜在破译极端复杂的局部结构方面的能力。斯科尔泰克的年轻研究人员能够直接方便地使用像像差校正电子显微镜这样的精密设备，并有机会接受进一步的培训，这真是太棒了。2020欧洲杯下注官网这使我们能够与学术界和业界的国际同行合作，为顶级电池研究做出贡献．

Anatoly Morozov，研究合著者和博士生，Skoltech

除了这两名Skoltech的化学家，这项研究还包括来自蒙伯利埃大学、索邦大学(Collège de France)、波佩阿杜大学(University of pau&pays Adour)、Technische Universität München、保罗谢勒研究所(Paul Scherrer Institute)和Réseau sur le Stockage Electrochimique de l’energie的科学家。