美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們創(chuàng)造并測(cè)試了一種單晶電極，有望為世界范圍內(nèi)正在開發(fā)的電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品和其他應(yīng)用的先進(jìn)電池帶來(lái)重大發(fā)現(xiàn)。美國(guó)西北大學(xué)和伊利諾斯大學(xué)芝加哥分校的研究人員參與了該項(xiàng)目的合作。

先進(jìn)電池中的電極材料是“多晶的”，這意味著它們有許多不同方向的晶體區(qū)域。由于多晶電極的制造相對(duì)簡(jiǎn)單，科學(xué)家們過(guò)去的電池研究重要集中在用這些材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些材料在有序結(jié)構(gòu)中有各種各樣的缺陷，這些缺陷常常會(huì)影響電池的性能。

“我們認(rèn)識(shí)到，單晶可以在確定新方法方面發(fā)揮重要用途，從而在原子和分子水平上理解控制多晶電極電池充放電過(guò)程的化學(xué)過(guò)程，”阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部門的助理科學(xué)家SanjaTepavcevic指出。

作為研究其單晶陰極的模型系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)選擇了正在開發(fā)的鈉離子電池來(lái)與現(xiàn)有的鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)。

研究小組制備了鈉－氧化銥單晶（Na2IrO3），并將其作為陰極材料用于小型測(cè)試電池中。為了進(jìn)行比較，他們還用多晶陰極測(cè)試了類似的電池。通過(guò)利用阿貢的科學(xué)設(shè)施，尤其是先進(jìn)光子源，他們可以確定晶體結(jié)構(gòu)中每個(gè)原子的精確位置，以滿足不同的電池充放電狀態(tài)。

Tepavcevic說(shuō)：“假如沒有先進(jìn)光子源非凡的材料特性資源，這個(gè)項(xiàng)目是不可能完成的。我們也極大地受益于團(tuán)隊(duì)成員JenniferHongZheng的專業(yè)知識(shí)，她具有世界級(jí)的能力，能夠?qū)尉L(zhǎng)到精確的規(guī)格。”

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)試驗(yàn)電池充放電循環(huán)過(guò)程中的陰極化學(xué)進(jìn)行了深入的研究。特別是，研究小組調(diào)查了NaIrO3端點(diǎn)結(jié)構(gòu)超出預(yù)期的額外容量的起源。Tepavcevic說(shuō)：“使用我們的單晶，我們可以將表面效應(yīng)與本體效應(yīng)分開，這在早期的多晶材料研究中是不明顯的?！毖芯啃〗M證明，額外的容量來(lái)自表面反應(yīng)，而不是先前認(rèn)為的大部分材料。

關(guān)于改進(jìn)電池設(shè)計(jì)而言，重要的是要了解在循環(huán)過(guò)程中如何以及為何會(huì)發(fā)生材料變化。通過(guò)測(cè)試結(jié)果，研究小組確定了在充電過(guò)程中形成的三個(gè)不同相的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)以前是未知的。他們還發(fā)現(xiàn)，由于在充電時(shí)形成了新的有害相，因此電池容量隨循環(huán)而減弱，這種有害相在放電過(guò)程中持續(xù)存在，并且隨著循環(huán)次數(shù)的新增而增大。

“我們通過(guò)單晶電極了解到的鈉離子電池比我們?cè)陧?xiàng)目開始時(shí)預(yù)想的要多，”材料科學(xué)部門的杰出研究員JohnMitchell說(shuō)?！昂苊黠@，單晶打開了一扇窗，讓我們更好地了解控制所有電池類型的能量?jī)?chǔ)存和釋放的化學(xué)和電子轉(zhuǎn)換，以及它們?cè)谘h(huán)過(guò)程中的降解機(jī)制?！庇辛诉@些知識(shí)，未來(lái)的電池研究人員將能夠?yàn)楹铣尚碌暮透倪M(jìn)的具有所需功能的多晶材料制定設(shè)計(jì)規(guī)則。