盖世汽车科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹加快电动汽车充电速度

美国能源部布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory）和劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）科学家领导的团队，成功实时捕获锂离子在钛酸锂（LTO）中的移动轨迹。

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盖世汽车讯据外媒报道，美国能源部布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLaboratory）和劳伦斯伯克利国家实验室（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory）科学家领导的团队，成功实时捕获锂离子在钛酸锂（LTO）中的移动轨迹。钛酸锂是快速充电电池的一种电极材料，由锂、钛和氧组成。
科学家们发现，在LTO中间产物（锂离子浓度介于初始状态和终止状态之间）中，锂及其周边原子扭曲排列，为运输锂离子提供了一条"快车道" 。这一发现为改良电池材料设计、加快电动汽车充电速度提供了新思路。布鲁克海文实验室跨学科科学部门的材料科学家FengWang表示："给汽车的油箱加满油只需几分钟，而给一辆电动汽车的电池充电，则需要几小时。弄清楚如何让锂离子在电极材料中更加快速地移动，这一点很重要，有助于制造出更好的电池，大大缩短充电时间。 "
【盖世汽车科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹加快电动汽车充电速度】锂离子电池的工作原理是通过电解质，使锂离子在正负电极之间来回移动。石墨通常被认为是最先进的锂离子电池负极，但是，对于快速充电应用， LTO材料是很有吸引力的替代品。 LTO能够快速容纳锂离子，而不会形成锂镀层（即锂沉积于电极表面，而不是内部）的影响。 LTO容纳锂时，会从初始相（Li4Ti5O12）转变为终止相（Li7Ti5O12），二者的锂电导率都较差。这给科学家们制造了一个难题：如何让LTO电极快速充电。要解决这个看似矛盾的问题，需要了解锂离子在LTO中间结构（锂离子浓度介于Li4Ti5O12和Li7Ti5O12之间的结构）中是如何传输的，仅仅得到从初始阶段到终止阶段的静态图像是不够的。
然而，锂离子很轻，如果采用传统的电子或X射线探测技术，很难探测到。尤其是在活性物质中快速移动的锂离子，比如正在运行的电池电极中的LTO纳米颗粒。在本项研究中，科学家们设计了一个电化学电池，使其在透射电子显微镜（TEM）中工作，实时跟踪锂离子在LTO纳米颗粒中的移动状态。研究小组在电池充放电过程中，进行电子能量损失光谱分析（EELS），测量电子与样品相互作用后的能量变化，以揭示样品局部的化学状态。在TEM中进行EELS分析，可以保持对锂离子的高度敏感，提供高分辨率，从空间和时间上捕捉纳米粒子中的离子传输。
"该团队在开发电化学功能电池时，克服了重重挑战。既要使电池像普通电池一样循环，同时要确保它足够小，能够适合TEM的毫米级样品空间。 "布鲁克海文国家实验室的凝聚态物理和材料科学（CMPMS）部门的电子显微镜和纳米结构小组负责人、高级科学家YimeiZhu表示， "为了测量锂的EELS信号，样品需要非常薄，超出了通常在TEM中探测电子所需的透明度。 "
所得到的EELS光谱中包含的信息，主要关于在充放电过程中，锂在不同LTO状态下的吸收和局部环境信息。为了破译这些信息，伯克利新兴材料研究算和实验设计中心（CEDER）和布鲁克海文功能纳米材料中心（CFN）的科学家们，模拟了光谱，并在此基础上，从数千种可能性中明确了原子的排列。为了确定局部结构对离子移动的影响， CEDER小组通过量子力学方法，计算LTO中锂离子移动的能量壁垒。
"计算模型具有重要意义，可以了解为何锂能在这种材料中快速移动。 "CEDER负责人GerbrandCEDER表示， "这种材料容纳锂后，原子排列变得非常复杂，很难通过简单的传输思想来定义。计算显示，锂离子是因为拥挤而快速移动。 " 分页标题
"这项工作的一个重要方面是，将实验和模拟结合在一起。因为模拟可以帮助我们解释实验数据，得到机械性理解。 "该研究的合著者、CFN理论和计算小组的物理学家DeyuLu称， "我们多年来在CFN开发的计算光谱学专业知识，在这一合作用户项目中扮演着重要角色，可以识别EELS中的关键光谱指纹，揭示它们在原子结构中的物理起源及其电子特性。 "
分析显示， LTO具有亚稳态中间构型，其中原子的局部位置，与通常的排列方式不同。这种局部的"多面"扭曲排列，降低了能量壁垒，为锂离子的快速移动提供了途径。 Wang解释说："汽油可以不受阻碍地流进汽车油箱，因为油箱本身是一个空容器。与之不同的是，锂需要经过一番‘争战’ ，才能进入不是完全开放的LTO 。为了得到锂， LTO会从一种结构转变成另一种结构。通常情况下，这种两相转换需要时间，限制了快速充电的能力。然而，在这种情况下， LTO原子结构的局部扭曲，提供了更多的开放空间，使锂可以轻松通过，比预期中更快地被容纳。这些高导电路径，出现在两个阶段之间的丰厚边界。 "
接下来，科学家们将探索LTO在实际应用中的局限性，例如发热与高速率循环时出现的容量损失。通过研究LTO在不同循环速率下反复吸收和释放锂后的行为方式，他们希望找到解决这些问题的方法，为快速充电电池开发实际可行的电极材料。 Zhu说："这项跨机构工作，结合了原位光谱学、电化学、计算和理论，为今后的研究建立基础。 "
Wang说："通过我们新开发的电化学电池，并给合布鲁克海文CFN强大的电子和X射线显微镜和国家同步加速器光源II（NSLS-II），我们希望能够进一步研究快速充电电极中的传输行为。通过这些最先进的工具，我们将获得，在真实反应条件下和实时循环过程中，样品局部和整体结构中锂运输的完整视图。 "

盖世汽车科学家捕获锂离子在电极材料中的移动轨迹 加快电动汽车充电速度

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