作者:禹习谦等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/30 17:07:16
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先进同步辐射技术揭示锂离子电池层状氧化物正极的结构和化学演变

近日,美国SLAC国家加速器实验室刘宜晋研究员与科院物理所禹习谦研究员、上海交通大学李林森研究员在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表Review文章,系统总结了先进同步辐射技术用于锂离子电池层状氧化物正极材料的晶格结构、电子结构和形态结构研究的最新进展及未来发展趋势的展望。

层状过渡金属氧化物因其高能量密度、优异的倍率性能和长循环寿命而成为锂离子电池的主要正极材料,尤其是以已商业化三十年的钴酸锂(LiCoO2)和当前动力电池中普遍采用的三元镍钴锰(LiNi1-x-yCoxMnyO2)为典型代表。然而,对高能量密度电池日益飞速增长的高需求促进了对层状氧化物正极材料的进一步深度研究和开发,需要不断突破材料已有的容量设计瓶颈,不断追求材料在高容量和长循环稳定性之间的最佳平衡,这就对层状氧化物正极材料从微观尺度到宏观尺度下的结构认识提出了更严峻的挑战。

由于层状氧化物正极材料在电池内部工作时涉及到复杂且相互耦合的微观结构变化、化学组分变化以及电化学反应异质性,因此在多空间尺度和多空间维度下精准研究其晶格结构、电子结构和形态结构随电化学反应的演化规律对表征分析技术提出极高的要求。同步辐射装置提供了一系列对材料晶格、电子、形态结构敏感且无损的先进表征技术,近年来在电池领域研究中得到越来越多的重视和广泛运用。并且随着对电池材料表征各类需求的不断提出,同步辐射技术在更紧密结合应用需求的同时也在不断完善和发展新的表征分析方法。

基于此,该综述从层状氧化物正极材料的晶格结构、电子结构和形态结构及其演化三个方面系统总结了同步辐射技术在层状氧化物正极材料研究中的最新进展、前沿科学问题和重大技术挑战,以及对先进同步辐射技术在电池材料研究中的未来发展展望。

目前,先进的同步辐射和自由电子激光技术正在进行重大技术升级,未来将为能源材料研究领域带来了更多的科学机遇和技术突破。对当前先进同步辐射技术在电池材料领域的应用及其带来的基础科学认识进行及时、系统的总结,将对下一代电池材料的研究至关重要。我们相信,在材料科学家、同步辐射科学家和计算科学家的通力合作和持续努力下,先进表征技术将对能源转化和存储技术领域产生越来越重大的影响,并朝着具有更理想的、可持续性的、全球化的能源解决方案向前迈进。

更多讨论细节请参考原文:该综述以“Structural and chemical evolution in layered oxide cathodes of lithium-ion batteries revealed by synchrotron techniques”为题在线发表于National Science Review,美国SLAC国家加速器实验室刘宜晋研究员与科院物理所禹习谦研究员、上海交通大学李林森研究员为该综述论文的共同通讯作者,美国SLAC国家加速器实验室钱冠男博士和科院物理所博士研究生汪君洋为共同第一作者。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab146

 
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