自從200年前伏打首次將銅盤和鋅盤堆在一起以來，電池技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。雖然技術(shù)不斷從鉛酸電池發(fā)展到鋰離子電池，但仍存在許多挑戰(zhàn)，如實(shí)現(xiàn)更高的密度和抑制枝晶生長(zhǎng)。專家們正在競(jìng)相解決全球?qū)Ω吣苄Ш桶踩姵厝找嬖鲩L(zhǎng)的需求。


重型車輛和飛機(jī)的電氣化需要具有更高能量密度的電池。一個(gè)研究小組認(rèn)為，要想對(duì)這些行業(yè)的電池技術(shù)產(chǎn)生重大影響，必須進(jìn)行范式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變將利用富鋰正極中的陰離子還原-氧化機(jī)制。發(fā)表在《自然》雜志上的研究結(jié)果標(biāo)志著首次在富鋰電池材料中直接觀察到這種陰離子氧化反應(yīng)。

合作機(jī)構(gòu)包括卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、東北大學(xué)、芬蘭的拉彭蘭塔-拉赫蒂科技大學(xué)（LUT），以及日本的機(jī)構(gòu)，包括群馬大學(xué)、日本同步輻射研究所（JASRI）、橫濱國立大學(xué)、京都大學(xué)和立命館大學(xué)。

富鋰氧化物是有前途的正極材料類別，因?yàn)樗鼈円驯蛔C明具有高得多的存儲(chǔ)容量。但是，有一個(gè)電池材料必須滿足的 "和問題"：材料必須能夠快速充電，對(duì)極端溫度穩(wěn)定，并可靠地循環(huán)數(shù)千次。科學(xué)家們需要清楚地了解這些氧化物如何在原子水平上工作，以及它們的基本電化學(xué)機(jī)制如何發(fā)揮作用，以解決這個(gè)問題。

正常的鋰離子電池通過陽離子氧化還原作用來工作，當(dāng)鋰被插入或移除時(shí)，金屬離子會(huì)改變其氧化狀態(tài)。在這個(gè)插入框架內(nèi)，每個(gè)金屬離子只能儲(chǔ)存一個(gè)鋰離子。然而，富含鋰的陰極可以儲(chǔ)存更多。研究人員將此歸功于陰離子氧化還原機(jī)制-在這種情況下是氧氧化還原。這是材料的高容量的機(jī)制，與傳統(tǒng)的陰極相比，其能量?jī)?chǔ)存幾乎翻了一番。盡管這種氧化還原機(jī)制已經(jīng)成為電池技術(shù)的主要競(jìng)爭(zhēng)者，但它標(biāo)志著材料化學(xué)研究的一個(gè)支點(diǎn)。

該團(tuán)隊(duì)著手利用康普頓散射為該氧化還原機(jī)制提供確鑿的證據(jù)，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(xiàn)象。研究人員在SPring-8進(jìn)行了復(fù)雜的理論和實(shí)驗(yàn)研究，這是世界上最大的第三代同步輻射設(shè)施，由JASRI運(yùn)營。同步輻射包括狹窄、強(qiáng)大的電磁輻射束，當(dāng)電子束被加速到（幾乎）光速并被磁場(chǎng)強(qiáng)迫以彎曲的路徑行駛時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種輻射?？灯疹D散射變得可見。研究人員觀察到位于可逆和穩(wěn)定的陰離子氧化還原活動(dòng)核心的電子軌道是如何被成像和可視化的，并確定其特征和對(duì)稱性。這一科學(xué)首創(chuàng)可能會(huì)改變未來電池技術(shù)的游戲規(guī)則。

雖然以前的研究提出了陰離子氧化還原機(jī)制的替代解釋，但它無法提供與氧化還原反應(yīng)相關(guān)的量子力學(xué)電子軌道的清晰圖像，因?yàn)檫@無法通過標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。

當(dāng)研究小組第一次看到理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間在氧化還原特性方面的一致性時(shí)，他們意識(shí)到分析工作可以描繪出負(fù)責(zé)氧化還原機(jī)制的氧氣狀態(tài)，這對(duì)電池研究來說是非常關(guān)鍵的。

"我們有確鑿的證據(jù)支持富鋰電池材料中的陰離子氧化還原機(jī)制，"卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系副教授Venkat Viswanathan說。"我們的研究為富鋰電池在原子尺度上的運(yùn)作提供了一個(gè)清晰的圖景，并為設(shè)計(jì)下一代陰極以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)航空提出了路徑。高能量密度陰極的設(shè)計(jì)代表了電池的下一個(gè)前沿領(lǐng)域"。