一個由兩位Skoltech科學家組成的國際研究小組通過實驗證明，長期以來對鋰離子電池低能量效率的解釋并不成立。研究人員用正極中氧和過渡金屬原子之間緩慢的電子轉(zhuǎn)移來解釋這一現(xiàn)象，而不是原子本身發(fā)生遷移。這項研究周四發(fā)表在《自然化學》雜志上。

今天用于電動汽車和小工具的鋰離子電池的容量大約是其富含鋰的氧化物陰極的表兄弟的一半。后一種技術(shù)的問題是它的效率低。你必須花費比它最終提供的更多的電力來給電池充電。隨著時間的推移，特別是對于消耗大量能源的應用來說，這種損失的電力真的會增加，使得這種類型的電池到現(xiàn)在為止在商業(yè)上還不可行。

為了釋放含有富鋰氧化物陰極的電池的潛力，研究人員必須了解其低效率背后的機制，以及損失的能量究竟去了哪里。最近發(fā)表在《自然-化學》上的研究提供了實驗證據(jù)，駁斥了以前對這一現(xiàn)象的解釋--技術(shù)上稱為電壓滯后，并提供了一個新的理論來解釋這一現(xiàn)象。

當一個鋰離子電池被充電時，鋰離子在其兩個電極之間移動。遷移到陽極時，它們在陰極留下空位。循環(huán)的另一半涉及鋰離子返回，因為能量被消耗掉了，比如為手機供電。

然而，在此期間，構(gòu)成陰極的一些過渡金屬原子可能已經(jīng)暫時侵入空位，然后再次拉回，在這種跳躍中花費寶貴的能量。研究報告的合著者、Skoltech公司的博士生AnatolyMorozov認為或者電壓滯后的舊理論就是這樣。

為了測試這一解釋，研究人員使用了斯科爾技術(shù)公司先進成像核心設(shè)施的透射電子顯微鏡，監(jiān)測由公式為Li1.17Ti0.33Fe0.5O2的材料制成的富鋰電池陰極在電池充放電循環(huán)的不同階段的原子結(jié)構(gòu)（見下圖）。然而，沒有觀察到鐵或鈦原子向鋰空位的明顯遷移，這表明有一些其他的過程在吸走能量。

"我們的發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了該團隊在其他地方尋找電壓滯后的起源。引起這一現(xiàn)象的不是可逆的陽離子遷移，而是氧原子和過渡金屬原子之間電子的可逆轉(zhuǎn)移。當電池被充電時，一些來自鐵的電子被氧原子劫持了。后來，它們又回去了。這種可逆的轉(zhuǎn)移消耗了一些能量。"阿爾特姆-阿巴庫莫夫教授解釋說，他是斯科爾技術(shù)公司能源科學和技術(shù)中心的負責人。

從電子轉(zhuǎn)移的角度理解電壓滯后可能對減輕這種不受歡迎的影響有直接的影響，以使下一代鋰離子電池具有創(chuàng)紀錄的高能量密度，為電動汽車和便攜式電子產(chǎn)品提供動力。為了實現(xiàn)下一步，化學家可以在元素周期表和'化學軟度'等概念的指導下，通過改變陽離子-陰離子鍵的共價性來操縱電子轉(zhuǎn)移障礙。

"這顯示了先進的透射電子顯微鏡在破譯極端復雜的局部結(jié)構(gòu)方面的力量。在斯科爾技術(shù)公司的年輕研究人員能夠直接和容易地獲得像像差校正電子顯微鏡這樣的先進設(shè)備，并有機會進一步培訓，這真的很好。這使我們能夠與學術(shù)界和工業(yè)界的國際同行合作，為的電池研究做出貢獻。"莫羅佐夫補充說。