新材料學(xué)院在鋰電池中氧離子不同電子態(tài)的光譜表征研究取得重要進(jìn)展
隨著日常電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、基于太陽(yáng)能等分布式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰、便攜式醫(yī)療設(shè)備、航空航天、國(guó)家安全等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，迫切需要具有高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命的可充放儲(chǔ)能器件。鋰離子電池因其諸多優(yōu)點(diǎn)，成為研究的重要方向。正極材料是鋰離子電池的核心部分，直接決定了鋰電池的能量密度、充放電循環(huán)性能、安全性、成本等。目前研究表明在正極材料的脫嵌鋰過程中，電荷補(bǔ)償不僅僅依靠過渡金屬離子的得失電子完成，氧離子也能參與電極氧化還原反應(yīng)。但是目前對(duì)于氧離子參與電極氧化還原反應(yīng)的機(jī)理存在爭(zhēng)議。對(duì)于氧離子參與電極氧化還原反應(yīng)機(jī)理研究正確與否的前提是能夠直接探測(cè)并理解與氧氧化還原反應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵電子態(tài)信息。基于同步輻射軟x射線光譜可以直接測(cè)量費(fèi)米能級(jí)附近的占據(jù)態(tài)、未占據(jù)態(tài)以及可能存在的相互作用，可以為探測(cè)和理解過渡金屬氧化物電池材料中的氧氧化還原反應(yīng)的提供關(guān)鍵信息。
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)與美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及斯坦福大學(xué)合作，通過利用軟X射線共振非彈性散射譜（mRIXS）并結(jié)合第一性原理計(jì)算，對(duì)Li2O、Li2CO3、特別是Li2O2中不同氧化態(tài)的氧離子進(jìn)行光譜表征，并對(duì)其不同光譜特征峰進(jìn)行理論解釋。在Li2O和Li2CO3中，由于氧離子處于負(fù)二價(jià)，其mRIXS光譜特征峰全部來自于價(jià)帶衰變（valence band decay）。然而，在Li2O2中氧呈現(xiàn)負(fù)一價(jià)，體系中存在部分未占據(jù)的O-2p態(tài)，從而導(dǎo)致mRIXS過程中產(chǎn)生了特定的帶內(nèi)激子特征峰。在光譜中此帶內(nèi)激子特征峰特具有特定的能量范圍，該能量特異性能將非負(fù)二價(jià)氧化態(tài)氧特征峰從吸收光譜中占主導(dǎo)地位的過渡金屬/氧雜化特征峰中分離出來，從而為探測(cè)和理解過渡金屬氧化物電池材料中的氧氧化還原反應(yīng)提供了關(guān)鍵線索。上述研究成果發(fā)表于國(guó)際著名物理化學(xué)期刊The Journal of the Physical Chemistry Letters上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 6378-6384; Nature Index期刊, IF=8.709)。
圖1. 過氧化鋰O mRIXS光譜中存在帶內(nèi)激子特征峰
本工作由新材料學(xué)院潘鋒教授、美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室楊萬里研究員以及美國(guó)斯坦福大學(xué)Thomas P. Devereaux教授指導(dǎo)新材料學(xué)院博士生卓增慶、斯坦福大學(xué)博士后Chaitanya Das Pemmaraju共同完成。以上工作得到了國(guó)家材料基因組重大專項(xiàng)(2016YFB0700600)、國(guó)家自然科學(xué)基金(Nos. 21603007)的資助支持。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b02757
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