“測得的滯后電壓如此之低,這出乎我們的意料。事實上,這已經是在金屬氟化物中所發現的最低電壓了,這說明這種材料制得的陰極完全可能具備非常高的能量效率,”王馮說。“廣義上
“這項的成果的意義不僅僅在于對鋰離子電池研發的推動,更在于它創造性地將in situ X射線成像技術應用在了研究前沿材料的化學反應上,”布魯克黑文可持續能源技術部的主任,J. Patrick Looney如是說。“利用in-operando和in-situ技術來設計和研發新材料是我們布魯克黑文實驗室長遠的目標,美國能源部對此非常地重視。”
與這項工作相關的專利在今年一月份的時候已經申報成功,專利名為:“鋰離子充電電池的高能量電極”。這項專利將這種金屬氟化物材料定位為一種低成本的鋰離子電池電極材料,并具有潛在的市場應用前景。正如論文中已經提到過的,專利的申請材料中也詳細描述了材料的制備和測試過程。不過申請材料中還包括了這種材料合成方法的細節,和將其應用于電池陰極的步驟。
布魯克海文商業化與戰略合作辦公室的主任,Connie Cleary說:“利用同步回旋加速器能夠測試新電池的反應歷程,這是一件非常激動人心的事情,同時,這也加快了我們尋找高能量密度的電池材料的步伐,我們終有一天能夠研制出壽命更長、效率更高和更加耐用的電池的,這項研究的目的正在于此,并且可能已經找到了能提高可充電池穩定性的方法。”
陰極性能的測試方法
樣品被制成電極,在電池的充放電過程中測試它們的電化學性能。測試結果表明,體系的電化學性能由發生在鐵銅電極上的氧化還原反應決定。
具體來說,該復合電極沒有表現出純FeF2電極在反應過程出現的電壓驟降,這說明樣品中轉化反應發生所需的能量降低了。而還原過程的測試數據表明銅原子的峰一個又一個周期的重復出現,這說明反應具有相當的可逆程度,跟純CuF2電極有所區別
他們還利用NSLS 的in-operando X射線光譜吸收技術深入研究還原反應歷程,以及對其之前測試數據的驗證。X射線束在電池充放電的時候穿過樣品,這時會有一部分X射線被吸收,吸收譜圖會讓科學家“看見”電池中發生了什么。這項技術具有元素特異性,意味著它只會返回一種元素的信息,比如銅。
X射線數據顯示,在放電過程中,也就是鋰離子進入陰極的過程中,銅先發生轉化反應,接著鐵在更低的電壓下發生轉化反應。銅-鐵和鐵-氟化物之間的鍵斷開,和鋰離子結合,與此同時,銅和鐵自由原子間會形成金屬鍵。在充電過程中,銅-鐵鍵會重新形成,這可以從X射線譜圖的強峰中看出來,幾乎和具有很好可逆程度的傳統材料具有一樣的峰形,峰的位置也基本一樣。

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