萊斯大學在陰極中添加反位缺陷 優化磷酸鐵鋰電池充放電性能

據瞭解,美國萊斯大學布朗工程學院(Rice University’s Brown School of Engineering)的研究員發現,在磷酸鐵鋰陰極的晶格中放置特定缺陷,能拓寬鋰離子的運輸通道,進而可明顯優化磷酸鐵鋰電池充放電性能。

此類缺陷稱為反位缺陷,是原子被放置在晶格中的錯誤位置時形成的,如當鐵原子被放置在理應由鋰佔據的位置時。反位缺陷會阻礙鋰在晶格中移動,通常被認為會對電池性能造成傷害。

磷酸鐵鋰電池結構圖片

不過,在磷酸鐵鋰電池中,萊斯大學研究者在陰極製造中走很多彎路,讓鋰離子能夠通過更寬的表面到達反應前鋒,有利於改善電池的充放電速率。

萊斯大學Ming Tang表示,磷酸鐵鋰因有較高的熱穩定性而被廣泛地用來作為鋰離子電池的陰極材料,而且也是一個很好的模型系統,以用於研究電池迴圈過程背後的物理學知識。

研究者指出,在鋰離子插入的過程中,陰極會從貧鋰狀態變為富鋰狀態。當陰極表面反應速率非常緩慢時,鋰只能在相界附近狹窄表面區域(通道)內插入到磷酸鐵鋰中,從而會限制電池的充電速度。不過,反位缺陷能夠讓鋰更均勻地插入到表面,而邊界就會移動得更快,電池充電速度也會更快。如果通過施加大電壓讓無缺陷的陰極快速充電,就會在電池表面局部造成很高的鋰通量,可能會對陰極造成傷害,而利用缺陷能夠將鋰通量擴散到整個陰極表面。

對該材料進行熱處理,即只加熱不燃燒,能夠控制缺陷的濃度。Tang表示,此種缺陷能夠實現更大的陰極粒子,比納米晶體更大,可幫助提升電池的能量密度,減少陰極表面退化。

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