CIBF交流會(huì)Yang Xiaoqing演講：利用基于同步加速器的先進(jìn)表征技術(shù)研究下一代電池新型電極材料
6月20日，由中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第十一屆“中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)”在深圳會(huì)展中心開(kāi)幕。本次交流會(huì)以“動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池”為主題，重點(diǎn)關(guān)注了電池應(yīng)用領(lǐng)域。全球50多位電池業(yè)界頂級(jí)專家亮相交流會(huì)并發(fā)表了主題演講，來(lái)自50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的800多名行業(yè)專家、學(xué)者和企業(yè)家與會(huì)。圖為來(lái)自美國(guó)BNL的Yang Xiaoqing先生在CIBF2014中國(guó)國(guó)際電池技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表主題演講。
Yang Xiaoqing：
我今天下午將用中文演講，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)大部分與會(huì)者都是中國(guó)人，非中國(guó)的嘉賓可以閱讀我的PPT，因?yàn)樗怯⑽牡摹?br />
我們的工作是用同步加速器的先進(jìn)表征技術(shù)研究下一代電池新型電極材料，目前討論更多的是復(fù)合材料，另外是電壓衰減問(wèn)題，但今天我們將重點(diǎn)討論關(guān)于倍率的問(wèn)題，因?yàn)椴牧铣擞须妷核p問(wèn)題外，它的倍率也不好控制。另外我還想與大家探討一下，從結(jié)構(gòu)的角度看復(fù)合材料的三種元素，哪一種是制約它倍率差的主要因素。因?yàn)槊總€(gè)元素的吸收邊可以差很多，如果能夠做很好的動(dòng)態(tài)工作，可以知道哪一個(gè)元素拉低了反應(yīng)速度。關(guān)于吸收譜，我們首先是做能量掃描，在能量掃描時(shí)離吸收邊很近的區(qū)域變化，可以反應(yīng)到它化合價(jià)的變化。另外，遠(yuǎn)邊對(duì)于負(fù)電壓的變化，也可以反應(yīng)出一定的信息，比如鎳的初始價(jià)是四價(jià)，錳是三價(jià)，遠(yuǎn)邊吸收負(fù)電壓變化之后，錳會(huì)發(fā)生變化，給出我們進(jìn)一步的信息。
下面我主要講一下動(dòng)力學(xué)方面的問(wèn)題。恒電流充電只有在它達(dá)到一定閾值之后才可以看到。在實(shí)驗(yàn)中，我們用恒電流充電，把它反應(yīng)的電壓提高到三個(gè)元素的閾值之上，當(dāng)電壓達(dá)到4.8伏時(shí)，三個(gè)元素都可以反應(yīng)，然后觀察它們?cè)趺醋兓?。從時(shí)間流來(lái)看，亮度也可以體現(xiàn)變化，鎳在180秒以后停止了變化，也就是說(shuō)鎳氧化從正二價(jià)到正四價(jià)只用了三分鐘。錮元素用的時(shí)間比它長(zhǎng)一些，但幾分鐘后也停止變化。錳元素在800秒之后還在變，這個(gè)現(xiàn)象直觀地告訴我們，在這三種元素中真正對(duì)倍率起作用的是錳，它是導(dǎo)致后退的主要因素。因此我們可以得出結(jié)論，我們?cè)谠O(shè)計(jì)材料時(shí)，如果需要高倍率，就需要減少錳的含量。
在333，433，532，622，811三元材料中，隨著鎳含量的增加，電池容量會(huì)提高，而安全性能會(huì)下降。隨著比例變化，電池結(jié)構(gòu)會(huì)受到很大影響。錳元素是基本不變的，鎳元素從鎳2到鎳3再到鎳4，當(dāng)鎳的含量增加時(shí)，化學(xué)價(jià)會(huì)隨之增加，鎳從正二價(jià)變成正三價(jià)，本身鎳的容量在減小。
我們一般認(rèn)為速度快的話不太容易形成平衡象，而速度慢的話可以模擬一個(gè)準(zhǔn)平衡過(guò)程。但實(shí)際我們的材料有些象只有在高速率下才能很清楚地分出來(lái)。這個(gè)我們已經(jīng)注意到了，但還沒(méi)有做更深入的研究，所以沒(méi)有完全系統(tǒng)化的解釋，但這對(duì)于材料應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題將會(huì)很有幫助。
另外，隨著鎳含量的增加，它的熱穩(wěn)定度會(huì)降低。拿333和532進(jìn)行對(duì)比，我們收取它釋放的氧和二氧化碳，然后發(fā)現(xiàn)釋放二氧化碳的量和形成新的象的溫度都降低了。也就是隨著鎳含量的增加，它的熱穩(wěn)定度會(huì)變差。
關(guān)于高段位錳酸鋰的過(guò)程，我們討論了有序和無(wú)序的兩種結(jié)果，在目前情況下大部分人認(rèn)為無(wú)序象的性能更好。但最近某工作組也在做一些工作，他們認(rèn)為有序象跟無(wú)序象可以做到同樣的性能。從原始狀態(tài)看，有序象里面雜質(zhì)比較多，造成了它的熱穩(wěn)定性和其他性能變差。因?yàn)槎r(jià)氧化鎳使它熱穩(wěn)定性變差，在加熱過(guò)程中鎳被還原使它的熱穩(wěn)定性變差。我們可以明顯地看到，有序材料比無(wú)序材料的熱穩(wěn)定性好很多。這給出我們信息：不要把全部精力放在無(wú)序態(tài)的成鎳的錳酸鋰上，應(yīng)該花一些精力把有序態(tài)的性能進(jìn)行改善，相對(duì)來(lái)講改善有序態(tài)的性能是很重要的一條路。
常規(guī)的錳酸鋰的熱穩(wěn)定性比層狀結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性好。我們認(rèn)為摻雜了25%的鎳以后，它的熱穩(wěn)定性會(huì)更好，實(shí)際上這25%的鎳會(huì)破壞它的熱穩(wěn)定性。所以這樣來(lái)看，不管是有序還是無(wú)序的穩(wěn)定性都比不摻鎳的好很多。它們的結(jié)構(gòu)在很低的溫度下就開(kāi)始有劇烈的變化，所以不管是做材料還是做電池，到高電位摻鎳的錳酸鋰熱穩(wěn)定性需要認(rèn)真考慮。最后，感謝美國(guó)國(guó)家能源部的車用技術(shù)辦公室對(duì)我們工作的支持。
謝謝大家。
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