锂离子电池正极材料的结构稳定性可以通过引入新的分子轨道来提高

电动悟空摘录 据外媒报道，伍伦贡大学（University of Wollongong）负责超导和电子材料研究所的国际团队证实，锂离子电池正极材料的结构稳定性可以通过引入新的分子轨道来提高。

(图片来源:伍伦贡大学)

对于电动汽车行业来说，为高性能锂离子电池生产更好的正极材料是主要挑战之一。在这项研究中，研究人员利用澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）前景广阔的正极材料尖晶石的设施和技术证明了LiNi0.5 Mn1.5 O4（LNMO）中掺锗能显著增强氧与金属阳离子之间的4s-2p轨道的相互作用。相对而言，4s-2p轨道不常见。但研究人员在文献中发现了一种化合物，其中锗的价格是 三、使电子构型（[Ar] 3d104s1)成为可能，其中4s过渡金属轨道电子可以与氧气相结合p轨道上未配对的电子相互作用产生杂化4s-2p轨道。”

在LNMO材料中，4s-2p结构稳定性可通过轨道实现。ANSTO澳大利亚同步加速器（Australian Synchrotron）澳大利亚中子散射中心（Australian Center for Neutron Scattering）这一点可以通过同步加速器、中子实验等方法来确定。

该团队使用中子和(基于实验室)X射线粉末衍射和显微镜确认了所掺锗LNMO结构（具有Fd3 ̅m16空间组对称性)c和16d晶位。锗掺杂剂的价格对研究非常重要。因此，研究人员对澳大利亚同步加速器X射线光电子能谱进行了实验（XPS）x射线吸收能谱（XAS）测量。结果表明，锗掺杂剂的平均价格是 3.56，其中锗在16c和16d位点的价格分别为 3和 4。该观察结果得到了密度泛函理论（DFT）支持计算结果。

包括研究人员LNMO评估电池的电化学性能，并将其与包含4的电池进行评估s-2p轨道杂化(称4)s-LNMO）的LNMO比较电池。结果表明，2%锗的混合有助于更好地实现结构稳定性，降低电池电压极化，提高能量密度和高压输出。研究人员Gemeng Liang博士说：研究人员想了解两种材料中锂的扩散动力学。结果表明，将锗引入系统后，锂在材料中扩散得更快，充电得更快。”

性能测试完成后，Liang基于同步加速器的近x射线吸收软x光束线上的光谱（NEXAFS），在循环过程中获得更详细的活性物质电子结构信息。根据电池开路电压下的光谱数据，4s-2p在轨道杂化对应的位置上，4s-LNMO材料的峰值强度显著增加，进一步验证了新型4s-LNMO成功引入轨道相互作用。仪器科学家之一Bruce Cowie博士说：研究人员可以看到未填充的轨道，以一种独特但复杂的方式与填充轨道相连。通过量子力学计算或与类似材料进行比较，可以更好地描述系统的化学性质。”

NEXAFS数据还有助于评估材料中锰的行为。Liang医生说：防止锰溶解在电解质中，可以防止结构的形成Mn 2和 三、有助于防止结构退化。NEXAFS结果表明，在4s-LNMO只有少量Mn3 ，没有明显的Mn2 ，材料结构稳定性进一步提高。

在澳大利亚同步加速器粉末衍射波束线的现场原位实验中，研究人员讨论了电池循环过程中的材料结构行为。该团队证实，在高工作电压下，4s-LNMO抑制了中不利的两相反应。

研究人员表示，在电池研究中，轨道杂化是一个相当新的概念，在解决电池性能问题方面非常有前途。值得一提的是，该方法可以扩展到其他电池材料。