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自2000年初以來(lái)，富鋰正極材料一直是從事儲(chǔ)能工作的科學(xué)家們感興趣的領(lǐng)域。在這些材料中，氧化還原反應(yīng)已被證明可以在氧化物離子以及過(guò)渡金屬離子中存儲(chǔ)額外的電荷——有可能提高材料的儲(chǔ)能容量。

然而當(dāng)集成到電池中時(shí)，這種陰極材料在第一次充電時(shí)就會(huì)發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)變化，立即降低其后續(xù)電壓。而這些結(jié)構(gòu)變化背后的機(jī)制一直讓科學(xué)家們摸不著頭腦，阻礙了材料的進(jìn)一步發(fā)展。有鑒于此，英國(guó)的法拉第研究所開(kāi)始觀察這些陰極在工作中的結(jié)構(gòu)變化。

法拉第研究所首席科學(xué)家Peter Bruce說(shuō)：“在對(duì)鋰離子電池能量密度進(jìn)行漸進(jìn)式改進(jìn)這一日益艱難的探索中，能夠利用氧化還原陰極的潛力及其相對(duì)于目前商業(yè)化使用的富鎳陰極所帶來(lái)的更大改進(jìn)，具有潛在的重要意義。對(duì)氧化還原的基本機(jī)制的深入理解是為緩解此類材料目前的局限性的策略提供信息的重要一步，使其潛在的商業(yè)用途離現(xiàn)實(shí)更近了一步。”

利用英國(guó)鉆石光源設(shè)施的X射線成像技術(shù)，該小組能夠確認(rèn)驅(qū)動(dòng)第一次充電后電壓損失的氧氣的變化，還開(kāi)發(fā)了一個(gè)解釋整個(gè)過(guò)程的模型。

巴斯大學(xué)和CATMAT首席研究員Saiful Islam教授說(shuō)：“計(jì)算建模已經(jīng)證明，分子氧的演化既解釋了觀察到的電化學(xué)反應(yīng)。第一次放電時(shí)電壓的降低，也解釋了觀察到的結(jié)構(gòu)變化，由分子氧在材料體積內(nèi)的容納所解釋。這種將分子氧和電壓損失聯(lián)系在一起的單一統(tǒng)一模型，使研究人員能夠提出避免氧化還原引起的不穩(wěn)定性的實(shí)用策略，為實(shí)現(xiàn)更可逆的高能量密度鋰離子陰極提供潛在的途徑。”

該模型在發(fā)表于《自然能源》的論文The role of O2 in O－redox cathodes for Li－ion batteries中進(jìn)行了描述。研究人員繼續(xù)提出了六種不同的策略，以基于對(duì)氧化還原反應(yīng)的這種理解來(lái)開(kāi)發(fā)高能陰極材料，所有這些策略都將由法拉第研究所在后續(xù)工作中進(jìn)行探索。