（圖片來源：AZOM）

 

       隨著化石燃料供應減少和氣候惡化，電網儲能部門和汽車行業都在加大力度，開發強大而高效的儲能技術。據外媒報道，香港城市大學（City University of Hong Kong）能源與環境學院等機構的研究人員開展一項新研究，探討優化鋰離子電池中LiVO3正極工作容量的方法。

 

       開發具有更高能量密度的鋰離子電池，是增加電動汽車續航里程距離和競爭優勢的關鍵因素。最有希望的方法之一是，拓寬鋰離子電池的充電截止電壓（charge cut-off voltage），讓制造商從材料中提取更多的鋰，從而提高鋰離子電池的容量。對于這一過程而言，最明顯的障礙是，從層狀結構中移除更多的鋰，會導致晶格不穩定。隨著電池循環，進而導致容量迅速衰減。

 

       使用富鋰過渡金屬氧化物，有望解決這一問題。這些材料在充電至更高電壓時，能夠提供出色的比容量，據報告充電至4.8 V.h 時，比容量超過250 mAh g−1或更高。這些富鋰材料之所以具有優勢，主要是因為對其充電時，激活了氧陰離子的陰離子氧化還原反應。這些氧陰離子可以作為過渡金屬轉移電子，并被鋰取代。

 

       該研究提出優化這一過程的方法。通過更好地穩定 LIB正極配置中使用的氧原子和過渡金屬的晶體結構，幫助緩解若干容量衰減和電壓衰減問題。值得一提的是，這些晶格內的結構排列對原子穩定性具有明顯的影響。過渡金屬氧化物材料之間的的鍵更短，當這些過渡金屬以四面體配位時，而不是以八面體配位，能夠產生更強的鍵能。這是優化正極材料的關鍵考慮因素。這些材料在經歷陰離子氧化還原反應時可能更穩定。然而，迄今為止對其在電池材料中的應用研究甚少。

 

       釩基材料具有轉移電荷的能力，因而成為電池應用的熱門選擇。考慮到這些因素，研究人員探討由VO4四面體結構組成的單斜晶系LiVO3的容量，以適應高截止電壓。這些材料起初被充電至4.8 V。在充電過程中，總共可以從材料中除去0.56 mol的鋰。這提供了136 mAh g−1的可逆容量，平均電勢為3.03 V（最低2.4 V，最高4.8 V）。

 

       研究人員利用先進的非原位X射線吸收光譜(XAS)和X射線光電子能譜(XPS)技術，測量和觀察這一過程。據發現，陰離子氧化還原反應過程，很可能在初始充電至4.8V時被激活，從而支持良好的充電容量。在本項研究中，經過100次循環后，該材料甚至能保持其容量的93%。即使考慮到陰離子氧化還原反應破壞這些材料的不穩定傾向，仍具有卓越的穩定性。材料的四面體配位是其保持穩定性的主要因素。通過非原位同步輻射X射線衍射（XRD），研究人員觀察到，當鋰轉移出去時，體積變化可以忽略不計，僅為0.21%。

 

       不同電壓范圍的實驗對容量保持率的影響很小，據測定在1.5V和4.8V之間測試LiVO3，能使可用容量擴展到358mAh g−1，平均電勢為2.55V，能量密度高達912.9 Wh kg−1。

 

       本項研究最突出的發現是，利用陰離子氧化還原反應和先進的四面體配位的優勢，可以提高材料的容量和工作電壓。

 

       未來開發突破性電池技術，以及提高電池容量，是實現電動汽車主流化和更可持續交通的基石。這項研究為以后的研究提供了堅實的基礎，以進一步其他新型正極材料，用于電池應用。目前正在進行的優化電極和電解質的研究，也具有很大的潛力，有望充分減少由反復充電循環造成的容量損失，使其達到最低點。