研究探讨实现稳定高压O-氧化还原阴极的可行性

发布时间：2023-03-09 18:39:36 栏目：生活

导读 为了满足不断增长的能源需求并为市场上无数的电子设备供电，研究人员将需要开发新的先进电池技术。理想情况下，这些技术应该具有更高的能量

为了满足不断增长的能源需求并为市场上无数的电子设备供电，研究人员将需要开发新的先进电池技术。理想情况下，这些技术应该具有更高的能量密度和更长的使用寿命，以便它们可以存储更多的能量并持续更长时间。



到目前为止，现有可充电锂离子(LiB)和钠离子(NaB)电池的能量密度很难增加。造成这种情况的一个关键原因是，它们的阴极通常由过渡金属氧化物制成，在电池充电或放电时通过去除和重新插入Li来工作，只能通过氧化和还原过渡金属离子来补偿电荷。这限制了可以存储在电池中的总电量。+

牛津大学，巴斯大学和钻石光源的研究人员最近进行了一项研究，探索所谓的“O-redox”阴极在增加LiB和NaB的能量密度方面的潜力。他们的论文发表在Nature Energy上，为O上形成的离域电子空穴的性质提供了第一个直接证据。2-O-氧化还原阴极中的离子，可以指导替代阴极的未来发展。

“我们有兴趣了解电池阴极中氧化物离子上可逆电荷存储的机制，”进行这项研究的研究人员之一罗伯特·A·豪斯(Robert A. House)告诉Tech Xplore。“目前只有少数已知的材料可以可逆地进行氧氧化还原，这个过程背后的化学性质尚不清楚。揭示这种电荷存储机制的性质可能有助于为下一代可充电电池解锁新的高能量密度正极材料。

众所周知，由阴极中氧化离子引起的分子氧的形成会降低电池技术的循环稳定性。顾名思义，O-氧化还原阴极将依靠氧离子的氧化为电池提供高电压下的额外容量。

House和他的同事们着手更好地了解氧化离子上电子空穴的性质，因为这最终可以为可逆O-氧化还原阴极的实现提供信息。

为此，他们使用了先进的表征技术的组合，包括高分辨率共振非弹性X射线散射(RIXS)，O核磁共振(NMR)和超导量子干涉器件(SQUID)磁力测量法。

“我们选择采用能够直接探测可逆氧氧化还原阴极原型示例中氧气的分析工具，”豪斯说。“这些技术使我们能够确定电池充电后氧化物离子之间的电荷分布，并跟踪它如何随时间变化。数据显示，电荷均匀地(或离域)分布在特定的氧气环境中，这些氧气环境通过结构形成带状。

在他们的实验中，豪斯和他的同事使用了Na0.6[李0.2锰0.8]O2一种正极材料，其中氧化的O转化2-成 O2发生缓慢。这使他们能够彻底捕获阴极中氧空穴状态随时间的变化。

“如果我们要实现高压氧氧化还原阴极的全部潜力，我们需要找到能够为氧上的电子空穴提供稳定支持的材料，”豪斯解释说。“已经证明这在原则上是可能的，通过将电荷分散在结构中的氧化物离子带上，有希望利用我们研究的学习来设计稳定的氧氧化还原阴极。

这个研究小组最近的工作有助于正在进行的努力，旨在创建真正可逆的O-氧化还原阴极，这将使LiB和NaB的能量密度更高。在未来，他们的结果可能为进一步研究O-氧化还原化学铺平道路，有可能为下一代电池设计有前途的阴极。

“我们现在正在继续加深对氧氧化还原化学的理解，并应用我们的知识来发现新的高能量密度正极材料，”House补充道。