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盖世汽车科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹 加快电动汽车充电速度


美国能源部布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory）和劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）科学家领导的团队 ， 成功实时捕获锂离子在钛酸锂（LTO）中的移动轨迹 。

盖世汽车科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹 加快电动汽车充电速度
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盖世汽车讯据外媒报道 ， 美国能源部布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory）和劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）科学家领导的团队 ， 成功实时捕获锂离子在钛酸锂（LTO）中的移动轨迹 。 钛酸锂是快速充电电池的一种电极材料 ， 由锂、钛和氧组成 。
科学家们发现 ， 在LTO中间产物（锂离子浓度介于初始状态和终止状态之间）中 ， 锂及其周边原子扭曲排列 ， 为运输锂离子提供了一条"快车道" 。 这一发现为改良电池材料设计、加快电动汽车充电速度提供了新思路 。 布鲁克海文实验室跨学科科学部门的材料科学家FengWang表示："给汽车的油箱加满油只需几分钟 ， 而给一辆电动汽车的电池充电 ， 则需要几小时 。 弄清楚如何让锂离子在电极材料中更加快速地移动 ， 这一点很重要 ， 有助于制造出更好的电池 ， 大大缩短充电时间 。 "
【盖世汽车科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹 加快电动汽车充电速度】锂离子电池的工作原理是通过电解质 ， 使锂离子在正负电极之间来回移动 。 石墨通常被认为是最先进的锂离子电池负极 ， 但是 ， 对于快速充电应用 ， LTO材料是很有吸引力的替代品 。 LTO能够快速容纳锂离子 ， 而不会形成锂镀层（即锂沉积于电极表面 ， 而不是内部）的影响 。 LTO容纳锂时 ， 会从初始相（Li4Ti5O12）转变为终止相（Li7Ti5O12） ， 二者的锂电导率都较差 。 这给科学家们制造了一个难题：如何让LTO电极快速充电 。 要解决这个看似矛盾的问题 ， 需要了解锂离子在LTO中间结构（锂离子浓度介于Li4Ti5O12和Li7Ti5O12之间的结构）中是如何传输的 ， 仅仅得到从初始阶段到终止阶段的静态图像是不够的 。
然而 ， 锂离子很轻 ， 如果采用传统的电子或X射线探测技术 ， 很难探测到 。 尤其是在活性物质中快速移动的锂离子 ， 比如正在运行的电池电极中的LTO纳米颗粒 。 在本项研究中 ， 科学家们设计了一个电化学电池 ， 使其在透射电子显微镜（TEM）中工作 ， 实时跟踪锂离子在LTO纳米颗粒中的移动状态 。 研究小组在电池充放电过程中 ， 进行电子能量损失光谱分析（EELS） ， 测量电子与样品相互作用后的能量变化 ， 以揭示样品局部的化学状态 。 在TEM中进行EELS分析 ， 可以保持对锂离子的高度敏感 ， 提供高分辨率 ， 从空间和时间上捕捉纳米粒子中的离子传输 。
"该团队在开发电化学功能电池时 ， 克服了重重挑战 。 既要使电池像普通电池一样循环 ， 同时要确保它足够小 ， 能够适合TEM的毫米级样品空间 。 "布鲁克海文国家实验室的凝聚态物理和材料科学（CMPMS）部门的电子显微镜和纳米结构小组负责人、高级科学家YimeiZhu表示 ， "为了测量锂的EELS信号 ， 样品需要非常薄 ， 超出了通常在TEM中探测电子所需的透明度 。 "
所得到的EELS光谱中包含的信息 ， 主要关于在充放电过程中 ， 锂在不同LTO状态下的吸收和局部环境信息 。 为了破译这些信息 ， 伯克利新兴材料研究算和实验设计中心（CEDER）和布鲁克海文功能纳米材料中心（CFN）的科学家们 ， 模拟了光谱 ， 并在此基础上 ， 从数千种可能性中明确了原子的排列 。 为了确定局部结构对离子移动的影响 ， CEDER小组通过量子力学方法 ， 计算LTO中锂离子移动的能量壁垒 。
"计算模型具有重要意义 ， 可以了解为何锂能在这种材料中快速移动 。 "CEDER负责人GerbrandCEDER表示 ， "这种材料容纳锂后 ， 原子排列变得非常复杂 ， 很难通过简单的传输思想来定义 。 计算显示 ， 锂离子是因为拥挤而快速移动 。 "


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