锂离子技术推动全球能源革命 探究金属氧化物之谜

导读:国际科学家小组发现了一种“空间电荷”机制,该机制解释了为什么用作锂离子电池电极的某些金属氧化物显示出比理论上应有的容量更高的储能容量。该小组表示,这项研究将为开发更先进的储能系统新途径。

由德克萨斯大学奥斯丁分校(UTA)领导的科学家声称,他们已经解决了一个长期困扰锂离子电池研究人员的谜团,解释了为什么某些电极材料显示出了超出物理可能的高储能容量。

锂离子技术已经负责改变我们与便携式设备通信和供电的方式,现在正在推动全球运输和能源供应领域的革命。德克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram发表了一篇新论文,研究了该技术的发展,从1970年代的最初发现到今天研究“未来电池”的研究人员的考虑。

通过与中国青岛大学和山东大学以及麻省理工学院和加拿大滑铁卢大学的合作,该小组能够证明几种基于过渡金属氧化物的化合物,它们的储存能力是当今的三倍,并解释一种现象,使这些材料的容量超出其理论极限。

UTA副教授余桂华说:“近二十年来,研究人员一直被这些超出理论极限的异常高的能力所困扰。这项工作证明了第一个实验证据,表明额外的电荷通过空间电荷储存机制被物理地储存在这些材料中。”

在《自然材料》杂志上发表了一篇用原位磁测法揭示过渡金属锂离子电池具有额外储能能力的论文,对其机理进行了阐述。该小组证明,由于电池放电过程中形成的金属纳米颗粒,额外的能量被储存在金属氧化物表面。这些纳米颗粒显示出强大的表面电容和存储大量电子的能力。

这种现象被证明是氧化铁电极额外容量的主要来源,也存在于氧化钴和氧化镍以及氟化铁和氮化物中。虽然对这些材料在电池中的行为的了解还很有限,但该小组相信,他们的发现代表着克服了进一步开发的重大挑战。

为了观察这个机制的作用,他们采用了一种叫做原位磁学的技术。这通常在物理学中用于研究极小尺度的电荷储能,并依赖于测量磁性的变化来量化电荷容量。余桂华副教授说:“最重要的结果是从物理学家常用但在电池界很少使用的技术中获得的。这是物理学和电化学完美结合的完美展示。”