电动汽车电池的前景何在？如何让这些阴极材料发挥其理论存储能力?

关于测试锂电池阴极充放电过程中的原子结构演变过程的新研究，有助于增加电动汽车的行驶里程。图片来源:斯坦福大学/ 3D图表

来自斯坦福大学、美国能源部国家实验室和三星电池制造商的研究者，从多个角度对该难题进行了研究。这有助于学者更全面的了解问题所在，即同一化学过程中使阴极获得更高容量的原因与原子结构的变化密切相关，自然地削弱了富锂阴极的性能。

作为该项研究的带领者，斯坦福大学研究生William Gent解释：“这无疑是个好消息，通过控制电极材料的原子结构演变来调整电池充放电的方式，为我们提供了极具憧憬的新途径来优化富锂阴极的电压性能。”

身为SLAC国家加速器实验室的杰出工作者同时参与论文合著，Michael Toney则表示：“如果能实现富锂电极的高效工作，将达成一项壮举，因为富锂电极将成为电动汽车的更佳推动器。汽车产业对如何实现研究目标有浓厚兴趣，也认识到攻克技术壁垒将会帮助汽车业解决阻碍其发展的障碍。”

这项研究已经成功发表在Nature Communications。

研究者利用SLAC斯坦福同步辐射光源(SSRL)和劳伦斯伯克利国家实验室先进光源(ALS)的多种x射线技术对印记进行了研究。由David Prendergast领导的伯克利实验室分子铸造学家也参与了这一研究，帮助实验者分析寻找目标并解释结果。阴极本身是由三星先进技术研究院使用相关商业工艺制造，并将之组装成类似于电动汽车的使用电池。

作为在美国居住的博士研究生，Gent参与了这项研究的实验和理论建模。他认为：“整个过程确保了研究结果象征着对前沿材料的理解，而这同样对我们的行业合作者产生直接影响。”

将电能转化为化学能储存的电池装置存在三个基本组成部分:阴极和阳极两个电极，以及电极之间的液体电解质。锂电池充电和放电时，锂离子在两个电极之间来回穿梭，在电极中它们会自主插入电极材料。

电极吸收和释放的离子越多，它可储存的能量便越多，电池尺寸就可以越做越小，最终又将促进电动汽车行驶距离的增长。而电极吸收和释放的离子的数量与其尺寸和重量有关，被称为电池容量。

斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)调查员William Chueh表示：“目前的锂离子电池的阴极只利用了其理论容量的一半，这意味着它在充电后本应该能够持续两倍的使用时间。”

William Chueh说道“但你无法使电池完全饱和。类似于往水桶中装水，你却只能倒出一半的水。这也是该领域目前面临的一大挑战——如何让这些阴极材料发挥其理论存储能力?这恰使得人们对富锂阴极储存更多能量的前景兴奋不已。”

如同目前的电池阴极，富锂阴极由数个锂层组成，夹在镍、锰或钴等过渡金属元素形成的氧化物层之间。且在氧化物层中加入锂可使阴极的容量增加30%到50%。

Chueh表示：之前的研究表明当富锂阴极电荷移动时，有多个过程同步进行，即锂离子从阴极转移到阳极，一些过渡金属原子会移动到锂离子初始位置，与此同时氧原子会释放一些电子，建立充电所需的电流和电压。

Chueh继续补充：当锂离子和电子在放电过程中回到阴极时，大多数的过渡金属闯入者会返回各自的最初位置，但不是全部过渡金属都会回去，更不会短期消失。在每次循环中，这种往返变化会改变阴极的原子结构，就如同这个桶变得更小并且瞬息万变。

Chueh最后解释:“即使知道所有现象都可能存在关联，但不清楚如何产生。目前在SSRL和ALS的一系列实验中，研究者发现了它们的关联机制以及如何实现掌控。这是人们还未彻底解读的重大技术发现。”

在SLAC的SSRL中，Toney和同事使用了各种各样的X射线方法，以精确确定阴极原子和化学结构是如何随着电池的充放电演变。另一重要的工具是软X射线共振X射线散射 (RIXS)，它从原子尺度获取信息帮助了解材料的磁性和电子特性。此外先进的RIXS系统从去年就开始在ALS中运作，使样本扫描变得更加快速。

ALS科学家Wanli Yang谈到：“RIXS主要用于基础物理。但在新的ALS系统中要想真正开放RIXS用于能源相关的材料在内的实用材料研究。既然这些研究潜力已经被部分证明，那么便可以很轻松地将RIXS扩展到其他电池材料，并获得以前无法获取的信息。”

研究团队在努力通过已获取的基本知识重新设计电池材料，新的电池材料被期待达到其理论的储存能力，同时不会随着时间的推移失去电压性能。