新的研究表明，在锂离子电池内部，您可能不必保持一切都整洁有序；少许无序状态可能会提升其性能。
在典型的锂离子电池正极和负极中，工程师们会一丝不苟地将材料排列成刚性图案，其理念是更结构化的排列会产生更高效的电池。为了追求更高的能量密度、更好的性能和更长的寿命，设计者们正在寻求以更严格的方式和更小的尺度来构建电池组件的方法。
让材料层混合或失去形状通常会导致电池性能下降，这种情况会随着这些设备的老化而出现。锂离子更难穿过正极，从而输送更少的能量。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
“这种理解和实验证据通常导致电池科学家忽视无序材料，”麻省理工学院材料科学与工程研究助理 Jinhyuk Lee 解释道。
然而，他发现，在某些情况下，无序状态可能对性能有益。Lee 和他的合作者上周在《科学》杂志上发表了他们的发现。
“在本文中，我们发现了一种特定的成分，当它变得无序时，仍然可以具有良好的性能，”共同作者董苏说，他是布鲁克海文国家实验室电子显微镜组的研究科学家。
研究人员在正极中使用了锂、铬和钼的混合物，最初在锂层和过渡金属氧化物层之间交替。在对电池进行几次充电和放电后，他们发现性能保持稳定。
提高能量密度的途径
然后，研究人员打开电池，使用电子显微镜和 X 射线衍射观察不同循环次数后的电池。他们发现，这些层发生了退化并随机混合，在 10 次循环后，这些层几乎消失了。
尽管如此，这种无序的正极在 2.5 伏电压下产生了 660 瓦时/千克的能量密度，即使在结构完美的设备中也极少观察到这种结果。
与之前的设计相比，这种电池设计在无序结构下表现如此出色的原因是存在过量的锂。传统的锂离子电池使用等量的锂和给定的过渡金属。使用新的配方，额外的锂在正极中找到了自己的路径，为离子创造了更快的通道，并提供了更稳定的性能。
与结构化正极相比，无序材料还具有其他优势。根据 Lee 的说法，新型正极的体积非常稳定，在充放电循环中几乎不会膨胀或收缩。尽管具有随机性，但锂最终在正极中的扩散也更加均匀。
这对电池组件的设计具有重要意义，因为曾经是一种威胁现象的东西现在可以成为电池寿命周期中的一个有用特性。“只有当循环次数达到 500 或 1,000 次或更多时，它才是一种有用的电池材料，”布鲁克海文电子显微镜组组长 Eric Stach 说，他没有参与这项研究。“更宏大的视角是，现在你有理由认为你甚至会想要这样做。”
“我们在这里最大的成就是我们首先提出了无序电池的‘锂扩散机制’，”Lee 说，并补充说，这些发现为锂离子电池开辟了一类新的潜在正极材料。
研究人员表示，他们现在将尝试运行更多循环的电池，并研究其他在无序结构下仍能良好工作的材料。“我们想回答实际问题，”苏说。“这就是我们努力的目标：让这些东西变得有用。”
经 Environment & Energy Publishing, LLC. 许可，转载自 Climatewire。www.eenews.net, 202-628-6500