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课题组在Advanced Materials上发表研究论文
发布时间:2021-02-13

过渡族金属化合物在电化学能源材料和自旋电子学领域中被广泛研究。过渡族金属元素在电化学过程中的电子转移与材料的自旋态密度密切相关,并会导致磁学性质的变化。因此,通过磁学理论与在线测试技术可以用于研究能源材料中的结构相变和局部电子分布等变化机制,获取其他传统理论技术所不能得到的信息。

213,青岛大学物理科学学院基于在线磁性测试技术在材料领域顶刊《Advanced Materials》发表了题为“Operando Magnetometry Probing the Charge Storage Mechanism of CoO Lithium Ion Batteries”的原创研究论文(链接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202006629,并成功入选了论文封面。该论文第一作者为李洪森,通讯作者为李洪森、龙云泽、李强。这是该团队继发表《Nature Materials》(Nat. Mater. 2021, 20, 76–83)揭示空间电荷储能机制之后,在探索过渡族金属化合物锂离子电池额外容量起源的又一重大突破,该工作基于在线磁性测试首次在实验上直观地证实了金属钴颗粒对在其表面生长的凝胶状聚合物膜起到了关键的催化作用。

在已经报道的CoO锂离子电池中,通常存在这样一种广为人知的现象,即电池的实际放电容量远大于理论容量。为了揭示这一关键科学问题,世界范围内科研人员对其做了广泛的研究。Tarascon等人早在2002年就提出在烷基碳酸盐电解液中,低电压区金属钴颗粒(通过转化反应生成)表面可逆的凝胶状聚合物膜的形成与分解是导致异常容量的主要原因,这一观点也得到了广泛的接受,在后续的报道中被大量引用。Yoon等人在2015年指出对同是过渡族金属化合物的RuO2电极材料来说,金属Ru表面生长的聚合物膜不足以贡献RuO2锂离子电池大的额外容量。此外,Maier等提出界面电荷存储理论,指出额外的锂离子可以存储在过渡族金属表面,电子注入到金属内部。研究者团队最近提出对于Fe3O4锂离子电池体系来说,其额外容量主要来源于涉及自旋极化电子的金属铁颗粒表面电容。由此可见,CoO锂离子电池的额外容量起源至今仍存在较大争议。

为此,研究人员以CoO电极材料为主要研究对象,对其电荷存储机制进行了深入探索,并取得了重大突破。该工作采用在线磁性探测技术,首次在实验上直观地证实了金属钴颗粒对在其表面生长的凝胶状聚合物膜起到了关键的催化作用。并进一步指出对于CoO锂离子电池来说,其放电容量主要由三部分构成(如图1所示):即CoO材料本身的转化反应;被还原出来的金属钴颗粒表面自旋极化电容;在金属钴的催化作用下凝胶状聚合物膜的可逆生成与分解。由于后面两种行为在低电压处存储电子时相互竞争,共同影响着磁学信号,因此目前还未能分别将其量化处理。但是可以确定的是二者是构成CoO锂离子电池额外容量主要原因。该工作首次揭示了过渡族金属锂离子电池的催化储能原理,将有助于将来设计新型储能器件,进一步提升功率密度及能量密度。

1 CoO锂离子电池储能机制