美國科學家控制陰極材料中結構缺陷濃度 可提升鋰電池性能

工程師們都在設計具備更持久電池的智能手機、續航里程可達上百英里的電動車、可以存儲可再生能源供將來使用的可靠電網，而倘若科學家們能夠設計更好的陰極材料，上述技術將唾手可得。

（圖片來源：布魯克海文國家試驗室）

迄今為止，加強陰極材料的典型策略是改變其化學成分。不過，據外媒報道，今朝美國能源部（DOE）布魯克海文國家試驗室（BrookhavenNationalLaboratory）的化學家們對電池性能有了新發現，得出了優化陰極材料的不同策略。他們的研究專注于控制陰極材料中結構缺陷的數量。

布魯克海文國家試驗室兼紐約州立大學石溪分校（StonyBrookUniversity）化學家peterKhalifah表示：“我們改變了陰極的原子排列，而不是改變其化學成分。”

今朝，大多數的陰極材料都由鋰離子和鎳等過渡金屬交替層組成。在此類層狀結構中，通常可以發現少量缺陷，意味著可以在應當存在鋰離子的地方找到過渡金屬的原子，反之亦然。

Khalifah表示：“可以將缺陷看出是完美材料結構的“錯誤”。眾所周知，倘若存在大量的缺陷，會導致電池性能糟糕。但是，我們知道到，倘若有少量缺陷，實際上可以改善電池的關鍵性能。”Khalifah表示，好的陰極材料會具備兩種性能：離子電導性（鋰離子可以很好地移動）以及電子電導性（電子可以很好地移動）。

他表示：“缺陷就像是在鋰離子和過渡金屬層之間戳一個洞，讓鋰離子和電子不再局限于二維空間，而是可以在三維空間中移動。”

為了得出該結論，科學家們要進行比以往更高精度的試驗，測量陰極材料中的缺陷濃度。Khalifah表示：“陰極材料的缺陷濃度在2%至5%之間。往日，只能以約莫1%的靈巧度測量缺陷濃度，在該項研究中，我們精確測量了缺陷濃度，靈巧度為0.1%。”

為了實現此種精確度，科學家們利用美國能源部兩個科學用戶機構–能源部阿貢國家試驗室的大型同步加速器先進光子源（AdvancedphotonSource，ApS）和能源部橡樹嶺國家試驗室的散射中子源（SpallationNeutronSource，SNS）的數據，進行了粉末衍射分解。

粉末衍射是一種強大的研究技術，可以通過將X射線、中子或電子的光束射向材料，并研究光束要怎么樣衍射，以知道材料中單個原子的位置。在本研究中，科學家們在ApS進行X射線測量，在SNS進行了中子測量。

科學家們能夠如此精確地測量缺陷濃度，之后就可以研究缺陷與陰極材料之間的關系。最終，科學家們研發了一種可以實現任何缺陷濃度的“配方”。將來，此種配方可以指揮科學家利用更便宜、更環保的材料合成陰極，然后調整缺陷濃度，實現最佳電池性能。

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