研究人员探讨提高锂离子电池中LiVO3正极的工作容量

随着化石燃料供应减少和气候恶化，电网储能部门和汽车行业都在加大力度，开发强大而高效的储能技术。据外媒报道，香港城市大学（City University of Hong Kong）能源与环境学院等机构的研究人员开展一项新研究，探讨优化锂离子电池中LiVO3正极工作容量的方法。

（图片来源：AZOM）

开发具有更高能量密度的锂离子电池，是增加电动汽车续航里程距离和竞争优势的关键因素。最有希望的方法之一是，拓宽锂离子电池的充电截止电压（charge cut-off voltage），让制造商从材料中提取更多的锂，从而提高锂离子电池的容量。对于这一过程而言，最明显的障碍是，从层状结构中移除更多的锂，会导致晶格不稳定。随着电池循环，进而导致容量迅速衰减。
使用富锂过渡金属氧化物，有望解决这一问题。这些材料在充电至更高电压时，能够提供出色的比容量，据报告充电至4.8 V.h 时，比容量超过250 mAh g−1或更高。这些富锂材料之所以具有优势，主要是因为对其充电时，激活了氧阴离子的阴离子氧化还原反应。这些氧阴离子可以作为过渡金属转移电子，并被锂取代。
该研究提出优化这一过程的方法。通过更好地稳定 LIB正极配置中使用的氧原子和过渡金属的晶体结构，帮助缓解若干容量衰减和电压衰减问题。值得一提的是，这些晶格内的结构排列对原子稳定性具有明显的影响。过渡金属氧化物材料之间的的键更短，当这些过渡金属以四面体配位时，而不是以八面体配位，能够产生更强的键能。这是优化正极材料的关键考虑因素。这些材料在经历阴离子氧化还原反应时可能更稳定。然而，迄今为止对其在电池材料中的应用研究甚少。
钒基材料具有转移电荷的能力，因而成为电池应用的热门选择。考虑到这些因素，研究人员探讨由VO4四面体结构组成的单斜晶系LiVO3的容量，以适应高截止电压。这些材料起初被充电至4.8 V。在充电过程中，总共可以从材料中除去0.56 mol的锂。这提供了136 mAh g−1的可逆容量，平均电势为3.03 V（最低2.4 V，最高4.8 V）。
研究人员利用先进的非原位X射线吸收光谱(XAS)和X射线光电子能谱(XPS)技术，测量和观察这一过程。据发现，阴离子氧化还原反应过程，很可能在初始充电至4.8V时被激活，从而支持良好的充电容量。在本项研究中，经过100次循环后，该材料甚至能保持其容量的93%。即使考虑到阴离子氧化还原反应破坏这些材料的不稳定倾向，仍具有卓越的稳定性。材料的四面体配位是其保持稳定性的主要因素。通过非原位同步辐射X射线衍射（XRD），研究人员观察到，当锂转移出去时，体积变化可以忽略不计，仅为0.21%。
不同电压范围的实验对容量保持率的影响很小，据测定在1.5V和4.8V之间测试LiVO3，能使可用容量扩展到358mAh g−1，平均电势为2.55V，能量密度高达912.9 Wh kg−1。
本项研究最突出的发现是，利用阴离子氧化还原反应和先进的四面体配位的优势，可以提高材料的容量和工作电压。
未来开发突破性电池技术，以及提高电池容量，是实现电动汽车主流化和更可持续交通的基石。这项研究为以后的研究提供了坚实的基础，以进一步其他新型正极材料，用于电池应用。目前正在进行的优化电极和电解质的研究，也具有很大的潜力，有望充分减少由反复充电循环造成的容量损失，使其达到最低点。