釕氧化物鋰電池系統(tǒng)的三個(gè)階段反應(yīng)途徑綜述
鋰離子電池幾乎給所有的日常便攜式電子產(chǎn)品充電，包括智能手機(jī)，相機(jī)，玩具，甚至是電力車(chē)。全球的研究人員都在尋找安全，廉價(jià)，持久并且強(qiáng)大的鋰電池材料。
工作在不同美國(guó)能源部光源設(shè)施和劍橋及石溪大學(xué)的一組研究人員近期研究了一類(lèi)鋰離子電池的電極，這比目前其它電池的容量都大很多。研究人員希望確定為什么這些材料能儲(chǔ)存比理論估計(jì)還要多很多的電量。
作者選擇氧化釕(RuO2)作為模型系統(tǒng),研究這些所謂的“轉(zhuǎn)換材料,” 命名是因?yàn)楫?dāng)和鋰離子反應(yīng)的時(shí)候會(huì)發(fā)生很大的結(jié)構(gòu)變化，可逆化形成金屬納米顆粒和鹽（這里指Ru和Li2O）。這和傳統(tǒng)的反應(yīng)非常不一樣，它允許鋰離子在晶格內(nèi)的空間中儲(chǔ)存電量。
“我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)RuO2額外容量的來(lái)源。也因此產(chǎn)生了研究在電池電極‘鈍化層’的方案，這保護(hù)電極不會(huì)繼續(xù)在充放電過(guò)程中發(fā)生分解反應(yīng)。”Clare Grey，一個(gè)在劍橋和石溪大學(xué)的教授，這項(xiàng)研究對(duì)應(yīng)的研究人如是說(shuō)。理解這些鈍化層的結(jié)構(gòu)是制造應(yīng)用于運(yùn)輸或者電網(wǎng)存儲(chǔ)足夠持久電池的關(guān)鍵。
在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家同步輻射光源，該小組利用X射線(xiàn)吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)展X射線(xiàn)吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）研究了他們的樣品。在先進(jìn)光子源，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，他們用兩個(gè)額外的技術(shù)，高分辨率X射線(xiàn)衍射（XRD）和散射對(duì)分布函數(shù)（PDF）的分析，去獲得當(dāng)電池充放電過(guò)程中，電子與長(zhǎng)/短范圍RuO2電極結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)信息。用這種方法，這個(gè)團(tuán)隊(duì)展示了RuO2通過(guò)LixRuO2的形成，被還原成了Ru納米顆粒和Li2O。
因?yàn)檫@并不能解釋額外的電量?jī)?chǔ)存機(jī)制的來(lái)源，該小組用了另一種技術(shù)：高分辨率固態(tài)核磁共振（NMR）。此方法給樣品施加磁場(chǎng)比國(guó)內(nèi)測(cè)量樣品中原子核的反應(yīng)。這可以得到化學(xué)成分和局部結(jié)構(gòu)的特殊信息，并且對(duì)于研究只包含“輕”元素的研究中非常有用，這些元素例如氫，鋰和氧是很難在XRD中檢測(cè)出來(lái)的。NMR數(shù)據(jù)顯示主要對(duì)容量產(chǎn)生作用的是LiOH的形成，這可逆變成Li2O和LiH。小部分作用來(lái)自在Ru納米顆粒表面Li的儲(chǔ)存，形成LixRu合金以及電解質(zhì)的分解。然而后者，最終導(dǎo)致電容量的減少并且會(huì)導(dǎo)致多次充電循環(huán)后電池失效。
