據外媒報道，一國際合作團隊首次直接觀察到鋰電池材料中的陰離子氧化還原反應。這項研究為改進現有電池正極并提出新設計開辟了道路。

 

（圖片來源：卡內基梅隆大學）

 

實現飛機和重型車輛電氣化，需要能量密度更高的電池。據該研究團隊介紹，為了大幅提升電池技術，有必要進行范式轉變。這要用到富鋰正極中的陰離子還原氧化機制。

 

參與本項研究的機構包括卡內基梅隆大學（Carnegie Mellon University）、東北大學（Northeastern University）、芬蘭拉彭蘭塔理工大學（LUT），以及日本群馬大學（Gunma University）、日本同步輻射研究所（JASRI）、橫濱國立大學（Yokohama National University）、京都大學（Kyoto University）和立命館大學（Ritsumeikan University）等日本機構。

 

富鋰氧化物是富有前景的正極材料，已被證明具有更高的存儲容量。但是，電池材料必須能夠快速充電，在極端溫度下保持穩定，并且可靠地循環數千次。為了解決這些問題，科學家們需要明確這些氧化物在原子層面是如何工作的，及其潛在的電化學機制。研究人員表示，高能量密度正極設計代表電池的下一個發展前沿。

 

普通鋰離子電池通過陽離子氧化還原工作，隨著鋰的插入或移除，金屬離子會改變其氧化態。在這一插入框架內，每個金屬離子只能存儲一個鋰離子。然而，富鋰正極可以存儲的數量更多，研究人員將此歸因于陰離子氧化還原機制。在這種情況下，是氧氧化還原。這種機制歸功于材料的高容量，與傳統正極相比，其儲能幾乎翻番。

 

該團隊利用康普頓散射為氧化還原機制提供確據。康普頓散射是指光子與粒子(通常是電子)相互作用后偏離直線軌跡的現象。研究人員在SPring-8進行了復雜的理論和實驗研究，這是世界上最大的第三代同步輻射設施，由JASRI運營。同步輻射由窄而強的電磁輻射束組成，當電子束被加速到(幾乎)光速時，并在磁場作用下被迫以彎曲的路徑行進時，就會產生這些電磁輻射束，從而使康普頓散射變得可視化。

 

研究人員觀察，位于可逆和穩定的陰離子氧化還原活動核心區域的電子軌道，如何成像和可視化，及其特征和對稱性是如何確定的。這一科學突破或將徹底改變未來的電池技術。先前的研究提出過關于陰離子氧化還原機理的其他解釋，但未進行標準實驗測量，因此不能清晰地反映與氧化還原反應有關的量子力學電子軌道。

 

研究團隊首次得到一致的關于氧化還原特性的理論和實驗結果。主要研究人員Hasnain Hafiz表示：“我們的分析可以描繪出氧化還原機制中的氧狀態，這對電池研究至關重要。”

 

研究人員Venkat Viswanathan表示：“我們得到了確鑿證據，以支持富鋰電池材料中的陰離子氧化還原機制。我們的研究清楚地闡述富鋰電池在原子層面的工作原理，并提出設計下一代正極的途徑。高能量密度正極設計是電池領域的下一個發展前沿。”