關于測試鋰電池陰極充放電過程中的原子結構演變過程的新研究，有助于增加電動汽車的行駛里程。圖片來源:斯坦福大學/ 3D圖表

從某種意義上說，如果在鋰離子電池的正極中增加鋰的含量，可以在相同空間內儲存更多的電荷，充電之后可以使電動汽車的行駛里程增加30%到50%的理論值。但是相對應的富鋰陰極很快便失去電壓，即使經過數年研究也難以解釋原因何在。 

來自斯坦福大學、美國能源部國家實驗室和三星電池制造商的研究者，從多個角度對該難題進行了研究。這有助于學者更全面的了解問題所在，即同一化學過程中使陰極獲得更高容量的原因與原子結構的變化密切相關，自然地削弱了富鋰陰極的性能。 

作為該項研究的帶領者，斯坦福大學研究生William Gent解釋：“這無疑是個好消息，通過控制電極材料的原子結構演變來調整電池充放電的方式，為我們提供了極具憧憬的新途徑來優化富鋰陰極的電壓性能?！?/span> 

身為SLAC國家加速器實驗室的杰出工作者同時參與論文合著，Michael Toney則表示：“如果能實現富鋰電極的高效工作，將達成一項壯舉，因為富鋰電極將成為電動汽車的更佳推動器。汽車產業對如何實現研究目標有濃厚興趣，也認識到攻克技術壁壘將會幫助汽車業解決阻礙其發展的障礙?！?/span> 

這項研究已經成功發表在Nature Communications。 

研究者利用SLAC斯坦福同步輻射光源(SSRL)和勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源(ALS)的多種x射線技術對印記進行了研究。由David Prendergast領導的伯克利實驗室分子鑄造學家也參與了這一研究，幫助實驗者分析尋找目標并解釋結果。陰極本身是由三星先進技術研究院使用相關商業工藝制造，并將之組裝成類似于電動汽車的使用電池。 

作為在美國居住的博士研究生，Gent參與了這項研究的實驗和理論建模。他認為：“整個過程確保了研究結果象征著對前沿材料的理解，而這同樣對我們的行業合作者產生直接影響。” 

將電能轉化為化學能儲存的電池裝置存在三個基本組成部分:陰極和陽極兩個電極，以及電極之間的液體電解質。鋰電池充電和放電時，鋰離子在兩個電極之間來回穿梭，在電極中它們會自主插入電極材料。 

電極吸收和釋放的離子越多，它可儲存的能量便越多，電池尺寸就可以越做越小，最終又將促進電動汽車行駛距離的增長。而電極吸收和釋放的離子的數量與其尺寸和重量有關，被稱為電池容量。 

斯坦福大學材料與能源科學研究所(SIMES)調查員William Chueh表示：“目前的鋰離子電池的陰極只利用了其理論容量的一半，這意味著它在充電后本應該能夠持續兩倍的使用時間?！?/span> 

William Chueh說道“但你無法使電池完全飽和。類似于往水桶中裝水，你卻只能倒出一半的水。這也是該領域目前面臨的一大挑戰——如何讓這些陰極材料發揮其理論存儲能力?這恰使得人們對富鋰陰極儲存更多能量的前景興奮不已。” 

如同目前的電池陰極，富鋰陰極由數個鋰層組成，夾在鎳、錳或鈷等過渡金屬元素形成的氧化物層之間。且在氧化物層中加入鋰可使陰極的容量增加30%到50%。 

Chueh表示：之前的研究表明當富鋰陰極電荷移動時，有多個過程同步進行，即鋰離子從陰極轉移到陽極，一些過渡金屬原子會移動到鋰離子初始位置，與此同時氧原子會釋放一些電子，建立充電所需的電流和電壓。 

Chueh繼續補充：當鋰離子和電子在放電過程中回到陰極時，大多數的過渡金屬闖入者會返回各自的最初位置，但不是全部過渡金屬都會回去，更不會短期消失。在每次循環中，這種往返變化會改變陰極的原子結構，就如同這個桶變得更小并且瞬息萬變。 

Chueh最后解釋:“即使知道所有現象都可能存在關聯，但不清楚如何產生。目前在SSRL和ALS的一系列實驗中，研究者發現了它們的關聯機制以及如何實現掌控。這是人們還未徹底解讀的重大技術發現?！?/span> 

在SLAC的SSRL中，Toney和同事使用了各種各樣的X射線方法，以精確確定陰極原子和化學結構是如何隨著電池的充放電演變。另一重要的工具是軟X射線共振X射線散射 (RIXS)，它從原子尺度獲取信息幫助了解材料的磁性和電子特性。此外先進的RIXS系統從去年就開始在ALS中運作，使樣本掃描變得更加快速。 

ALS科學家Wanli Yang談到：“RIXS主要用于基礎物理。但在新的ALS系統中要想真正開放RIXS用于能源相關的材料在內的實用材料研究。既然這些研究潛力已經被部分證明，那么便可以很輕松地將RIXS擴展到其他電池材料，并獲得以前無法獲取的信息?！?/span> 

研究團隊在努力通過已獲取的基本知識重新設計電池材料，新的電池材料被期待達到其理論的儲存能力，同時不會隨著時間的推移失去電壓性能。 

本文轉自材料科技在線

原文題目：cathode study better batteries for electric cars，原文來自materialstoday