优化网络拓扑，打造更安全、性能更高的电池

Josiah02

随着温室气体排放量的增加，应对全球变暖和气候变化的紧迫性日益增强，促使全球转向可再生能源。可充电电池的开发是这一努力的关键。
锂离子电池 (LIB) 是当今使用最广泛的可充电电池之一，用于汽车、智能手机甚至电力存储。然而，LIB 的一个主要问题是起火风险。
商业化锂离子电池的负极为碳，工作电位较低。由于碳的工作电位接近锂金属沉积电位，因此存在内部短路的风险，尤其是在电池快速充电时。
近年来，人们对锂离子电池负极的替代材料进行了深入研究，其中就包括过渡金属氧化物。氧化物基材料的工作电位比锂略高，从而降低了短路风险。此外，它们还具有出色的热稳定性，进一步降低了火灾风险。
值得注意的是，氧化物基负极在完全放电状态下表现为绝缘体，在发生事故时可使电池绝缘。尽管有这些优势，但现有的氧化物基电极（如 Li 4 Ti 5 O 12）的容量与碳电极相比要小得多，这促使人们研究钙钛矿相关材料。
在这些材料中，Wadsley-Roth 相氧化物，如 TiNb 2 O 7 (TNO)，受到了广泛关注。然而， TNO 的原子结构仍然未知，这对于理解和优化其负极性能至关重要。
为了解决这一空白，日本东京理科大学纯粹与应用化学系副教授北村直人（Naoto Kitamura）领导的研究小组，包括松原光（Hikari Matsubara）先生、石桥千明（Chiaki Ishibashi）教授等人，研究了TNO的原子结构以及网络结构对电极性能的影响。
他们的研究于2024年12月10日在NPG Asia Materials杂志上在线发表。
“TNO 的网络结构形成了锂离子传导路径，对负极性能有显著影响。然而，用传统的晶体结构分析技术来阐明这种网络结构是困难的，”北村教授解释道。
“在这项研究中，我们使用量子束数据和基于持久同源性的拓扑分析进行了逆蒙特卡罗（RMC）建模，以解释影响负极性能的因素。”
他们准备了三种具有不同充放电特性的 TNO 样品：原始样品、球磨样品（以减小颗粒尺寸）和热处理样品。然后，他们从量子束测量中收集了样品的总散射数据，并使用 RMC 建模利用这些数据生成材料的三维 (3D) 原子结构。
这些生成的原子结构再现了真实样品的总散射数据和布拉格分布数据，表明了它们的有效性。此外，他们还基于持久同源性对生成的三维结构进行了拓扑分析，并详细研究了原子结构拓扑与负极性能之间的关系。
他们的分析表明，通过球磨和随后的热处理来减小粒度，从而缓解网络结构的扭曲，最有利于提高充电和放电容量。
这表明网络无序性显著影响负极性能。此外，它表明可以通过优化制备工艺来控制拓扑结构以获得最佳充电/放电容量。
北村教授指出：“我们首次证明，中程结构和拓扑分析的结合是制定改善电极性能指南的一种有前途的方法。”
他补充道： “TNO 可用于汽车锂离子电池，并可为实现碳中和的绿色增长战略做出贡献。”
这些研究见解有助于开发具有更高安全性和容量的下一代 LIB，为可持续、可再生能源驱动的未来铺平道路。