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电池技术的突破：从原子层面看待富含锂元素的电池

2021-06-18
自从200年前伏打首次将铜盘和锌盘堆在一起以来，电池技术已经取得了长足的进步。虽然技术不断从铅酸电池发展到锂离子电池，但仍存在许多挑战，如实现更高的密度和抑制枝晶生长。专家们正在竞相解决全球对高能效和安全电池日益增长的需求。

重型车辆和飞机的电气化需要具有更高能量密度的电池。一个研究小组认为，要想对这些行业的电池技术产生重大影响，必须进行范式转变。这种转变将利用富锂正极中的阴离子还原-氧化机制。发表在《自然》杂志上的研究结果标志着首次在富锂电池材料中直接观察到这种阴离子氧化反应。

合作机构包括卡内基梅隆大学、东北大学、芬兰的拉彭兰塔-拉赫蒂科技大学（LUT），以及日本的机构，包括群马大学、日本同步辐射研究所（JASRI）、横滨国立大学、京都大学和立命馆大学。

富锂氧化物是有前途的正极材料类别，因为它们已被证明具有高得多的存储容量。但是，有一个电池材料必须满足的 "和问题"：材料必须能够快速充电，对极端温度稳定，并可靠地循环数千次。科学家们需要清楚地了解这些氧化物如何在原子水平上工作，以及它们的基本电化学机制如何发挥作用，以解决这个问题。

正常的锂离子电池通过阳离子氧化还原作用来工作，当锂被插入或移除时，金属离子会改变其氧化状态。在这个插入框架内，每个金属离子只能储存一个锂离子。然而，富含锂的阴极可以储存更多。研究人员将此归功于阴离子氧化还原机制--在这种情况下是氧氧化还原。这是材料的高容量的机制，与传统的阴极相比，其能量储存几乎翻了一番。尽管这种氧化还原机制已经成为电池技术的主要竞争者，但它标志着材料化学研究的一个支点。

该团队着手利用康普顿散射为该氧化还原机制提供确凿的证据，康普顿散射是指光子与粒子（通常是电子）相互作用后偏离直线轨迹的现象。研究人员在SPring-8进行了复杂的理论和实验研究，这是世界上最大的第三代同步辐射设施，由JASRI运营。同步辐射包括狭窄、强大的电磁辐射束，当电子束被加速到（几乎）光速并被磁场强迫以弯曲的路径行驶时，就会产生这种辐射。康普顿散射变得可见。研究人员观察到位于可逆和稳定的阴离子氧化还原活动核心的电子轨道是如何被成像和可视化的，并确定其特征和对称性。这一科学首创可能会改变未来电池技术的游戏规则。

虽然以前的研究提出了阴离子氧化还原机制的替代解释，但它无法提供与氧化还原反应相关的量子力学电子轨道的清晰图像，因为这无法通过标准实验进行测量。
当研究小组第一次看到理论和实验结果之间在氧化还原特性方面的一致性时，他们意识到分析工作可以描绘出负责氧化还原机制的氧气状态，这对电池研究来说是非常关键的。

"我们有确凿的证据支持富锂电池材料中的阴离子氧化还原机制，"卡内基梅隆大学机械工程系副教授Venkat Viswanathan说。"我们的研究为富锂电池在原子尺度上的运作提供了一个清晰的图景，并为设计下一代阴极以实现电动航空提出了路径。高能量密度阴极的设计代表了电池的下一个前沿领域"。

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