隨著對智能手機，電動汽車和可再生能源的需求持續上升，科學家們正在尋求改進鋰離子電池的方法 - 鋰離子電池是家用電子產品中最常見的電池類型，也是電網規模儲能的有前途的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進使用長效電池的先進技術的發展，以及風能和太陽能的廣泛使用。現在，研究人員在實現這一目標方面取得了重大進展。
由馬里蘭大學（UMD），美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室和美國陸軍研究實驗室的科學家領導的一項合作開發和研究了一種新的陰極材料，其能夠使鋰離子的能量密度增加三倍電池電極。他們的研究於6月13日在Nature Communications上發表。
“鋰離子電池包括一個陽極和一個陰極，”UMD的科學家，該論文的主要作者之一，修秀芬說。 “與用於鋰離子電池的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量受限得多，陰極材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”
UMD的科學家們合成了一種新的陰極材料，這種材料是一種經過改造和設計的三氟化鐵（FeF3），由具有成本效益和環境友好的元素 - 鐵和氟組成。研究人員一直對鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因為它們具有比傳統陰極材料更高的容量。
“通常用於鋰離子電池的材料是基於插層化學的，”布魯克黑文的化學家Enne Hu說，也是該論文的主要作者之一。 “這種類型的化學反應非常有效，但是它只轉移一個電子，所以陰極的容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過更複雜的反應機制轉移多個電子，稱為轉換反應。”
儘管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但由於其轉化反應的三個並發症，該化合物在鋰離子電池中的歷史效果並不理想：能量效率差（滯後現象），反應速度慢以及可能導致循環壽命差的副反應。為了克服這些挑戰，科學家通過稱為化學取代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使得科學家們可以操縱反應路徑並使其更“可逆”。
該論文的合著者，布魯克海文功能性納米材料中心（CFN）科學家Sooyeon Hwang說：“當鋰離子插入FeF3時，材料轉化為鐵和氟化鋰。 “然而，反應並不完全可逆，用鈷和氧代替後，陰極材料的主要骨架保持得更好，反應變得更加可逆。”
為了研究反應途徑，科學家們在CFN和國家同步輻射光源II（NSLS-II） - 兩個DOE位於Brookhaven的科學用戶設施辦公室進行了多次實驗。
首先在CFN，研究人員使用強大的電子束以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒 - 一種稱為透射電子顯微鏡（TEM）的技術。 TEM實驗使研究人員能夠確定陰極結構中納米顆粒的確切大小，並分析充放電過程不同階段結構如何變化。他們看到了取代納米棒的更快的反應速度。
“透射電鏡是一種非常有用的工具，可以在非常小的尺度上表徵材料，並且它還能夠實時研究反應過程，”CFN的科學家，該研究的共同通訊作者Dong Su說。 “但是，我們只能通過透射電子顯微鏡看到非常有限的樣品區域，我們需要依靠NSLS-II的同步加速技術來了解整個電池的功能。”
在NSLS-II的X射線粉末衍射（XPD）光束線中，科學家們指導通過陰極材料的超高亮度X射線。通過分析光線如何散射，科學家們可以“看到”關於材料結構的額外信息。
“在XPD，我們進行了配對分佈函數（PDF）測量，它們能夠檢測大量的本地鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學家白建明說。 “放電陰極的PDF分析清楚地表明化學取代促進了電化學可逆性。”
在CFN和NSLS-II上結合高度成像和顯微技術是評估陰極材料功能的關鍵步驟。
“我們還根據密度泛函理論進行了先進的計算方法，以破譯原子尺度的反應機制，”UMD的科學家，本文的共同作者Xiao Ji說。 “這種方法表明，化學替代將反應轉變為高度可逆的狀態，通過減少鐵的粒徑和穩定岩鹽相。”UMD的科學家表示，這一研究策略可以應用於其他高能量轉換材料，未來的研究可能會使用該方法來改進其他電池系統。
