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「盖世汽车」美国科学家控制阴极材料中结构缺陷浓度 可提升锂离子电池性能


迄今为止 ， 增强阴极材料的典型策略是改变其化学成分 。 不过美国的化学家们对电池性能有了新发现 ， 得出了优化阴极材料的不同策略 。
盖世汽车讯工程师们都在设计具备更持久电池的智能手机、续航里程可达上百英里的电动汽车、可以存储可再生能源供未来使用的可靠电网 ， 而如果科学家们能够设计更好的阴极材料 ， 上述技术将唾手可得 。

「盖世汽车」美国科学家控制阴极材料中结构缺陷浓度 可提升锂离子电池性能
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迄今为止 ， 增强阴极材料的典型策略是改变其化学成分 。 不过 ， 据外媒报道 ， 现在美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory）的化学家们对电池性能有了新发现 ， 得出了优化阴极材料的不同策略 。 他们的研究专注于控制阴极材料中结构缺陷的数量 。
布鲁克海文国家实验室兼纽约州立大学石溪分校（StonyBrookUniversity）化学家PeterKhalifah表示："我们改变了阴极的原子排列 ， 而不是改变其化学成分 。 "
现在 ， 大多数的阴极材料都由锂离子和镍等过渡金属交替层组成 。 在此类层状结构中 ， 通常可以发现少量缺陷 ， 意味着可以在应该存在锂离子的地方找到过渡金属的原子 ， 反之亦然 。
Khalifah表示："可以将缺陷看出是完美材料结构的"错误" 。 众所周知 ， 如果存在大量的缺陷 ， 会导致电池性能糟糕 。 但是 ， 我们了解到 ， 如果有少量缺陷 ， 实际上可以改善电池的关键性能 。 "Khalifah表示 ， 好的阴极材料会具备两种性能：离子电导性（锂离子可以很好地移动）以及电子电导性（电子可以很好地移动） 。
他表示："缺陷就像是在锂离子和过渡金属层之间戳一个洞 ， 让锂离子和电子不再局限于二维空间 ， 而是可以在三维空间中移动 。 "
为了得出该结论 ， 科学家们需要进行比以往更高精度的实验 ， 测量阴极材料中的缺陷浓度 。 Khalifah表示："阴极材料的缺陷浓度在2%至5%之间 。 以前 ， 只能以大约1%的灵敏度测量缺陷浓度 ， 在该项研究中 ， 我们精确测量了缺陷浓度 ， 灵敏度为0.1% 。 "
为了实现此种精确度 ， 科学家们利用美国能源部两个科学用户机构–能源部阿贡国家实验室的大型同步加速器先进光子源（AdvancedPhotonSource ， APS）和能源部橡树岭国家实验室的散射中子源（SpallationNeutronSource ， SNS）的数据 ， 进行了粉末衍射分析 。
粉末衍射是一种强大的研究技术 ， 可以通过将X射线、中子或电子的光束射向材料 ， 并研究光束如何衍射 ， 以了解材料中单个原子的位置 。 在本研究中 ， 科学家们在APS进行X射线测量 ， 在SNS进行了中子测量 。
【「盖世汽车」美国科学家控制阴极材料中结构缺陷浓度 可提升锂离子电池性能】科学家们能够如此精确地测量缺陷浓度 ， 之后就可以研究缺陷与阴极材料之间的关系 。 最终 ， 科学家们研发了一种可以实现任何缺陷浓度的"配方" 。 未来 ， 此种配方可以指导科学家利用更便宜、更环保的材料合成阴极 ， 然后调整缺陷浓度 ， 实现最佳电池性能 。


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