2021年6月10
自从200年前的200年前，自Volta最初堆叠锌和铜盘，电池显着发展。
可视化富含锂的阴极。图片来信：卡内基梅隆大学和东北大学。
虽然这项技术已经从铅酸不断发展到锂离子，但今天仍然存在一些挑战，如抑制树突生长和实现更高的密度。专家们正忙于满足全球对安全、节能电池日益增长的需求。
飞机和重型车辆的电气化需要能量密度更高的电池。研究小组认为，要想给这些领域的电池技术带来重大影响，就必须改变模式。这一变化将利用富锂阴极中的阴离子还原-氧化机制。
这是首次研究，其中在富含锂的电池材料中直接观察到这种阴离子氧化还原反应。该研究已发表于此自然日报》。
参与这项研究的机构包括卡内基·梅隆大学，东北大学，拉阿布兰塔达利大学技术大学（LUT）在日本芬兰和机构，如群马大学，日本同步辐射研究所（Jasri），横滨国立大学，京都大学和Ritsumeikan大学。
富锂氧化物是一类潜在的正极材料，因为它们已经被证明具有相对较高的存储容量。亚博网站下载然而，电池材料需要解决一个“与问题”——这种材料应该能够快速充电，连续工作数千次，并在极端温度下保持稳定。亚博网站下载为了解决这个问题，研究人员需要更深入地了解这些氧化物在原子水平上的作用，以及它们的基本电化学机制是如何发挥作用的。
常规锂离子电池通过阳离子氧化还原功能，特别是当金属离子改变其氧化态作为锂被除去或插入时。在该插入框架内，只能为每个金属离子储存单个锂离子。然而，富锂的阴极有可能存储更多。
科学家把这方面归因于阴离子氧化还原机制-在这个例子中，氧氧化还原。这种机制被认为是材料的高容量，与传统阴极相比，储能几乎翻倍。亚博网站下载虽然这种氧化还原机制已经发展成为电池技术的主要竞争对手，但它意味着材料化学分析的一个关键。亚博网站下载
研究人员已经开始使用称为Compton散射的现象来为氧化还原机制提供决定性证据，通过该现象，光子偏离其与颗粒的相互作用后（通常是电子）。科学家们对世界上最大的第三代同步辐射辐射设施进行了先进的实验和理论研究，由Jasri管理。
同步辐射包含窄而强的电磁辐射束，当电子束被加速到(接近)光速，并在磁场的作用下被迫沿弯曲路径移动时，就会产生这种电磁辐射束。这使得康普顿散射可见。
科学家们注意到，位于稳定和可逆的阴离子氧化还原活动中心的电子轨道如何进行成像和观察，并确定其对称性和特征。这种科学突破可以彻底改变未来的电池技术。
尽管早期的研究对阴离子氧化还原机理提出了不同的解释，但他们无法提供与氧化还原反应相关的量子机械电子轨道的清晰图像，因为这无法通过常规实验进行量化。
研究人员经历了“一个哈！”当他们最初观察到实验和理论发现之间的氧化还原性质的协议时刻。
“我们意识到我们的分析可以将负责氧化还原机制负责的氧气状态，这对于电池研究来说是根本重要的哈菲兹(Hasnain Hafiz)解释道。哈菲兹是这项研究的主要作者，他在卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon)做博士后研究助理时进行了这项研究。
我们有确凿的证据支持富含锂电池材料的阴离子氧化还原机制．我们的研究提供了一幅在原子尺度上富锂电池工作原理的清晰图像，并为设计下一代阴极使电动航空成为可能提供了思路。高能量密度阴极的设计代表了电池的下一个前沿．
Carnegie Mellon University机械工程副教授Venkat Viswanathan
期刊参考：
Hafiz，H.，等．(2021)富锂电池材料中氧轨道的层析重建。亚博网站下载自然．doi.org/10.1038/s41586-021-03509-z.．
来源:https://engineering.cmu.edu/