科學(xué)博物館展品中展示的鉆石和其他晶體令人賞心悅目。它們有時(shí)令人眼花geometric亂的幾何形狀和顏色的原因是原子的高度有序排列。對(duì)于電池電極中的晶體材料，其有序的微觀結(jié)構(gòu)具有實(shí)用的優(yōu)勢(shì)，可簡(jiǎn)化充電和放電期間電極內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移。

美國(guó)能源部(DOE)阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)建并測(cè)試了一種單晶電極，有望在全球范圍內(nèi)為電動(dòng)汽車，消費(fèi)電子產(chǎn)品和其他應(yīng)用開發(fā)的高級(jí)電池中產(chǎn)生關(guān)鍵性發(fā)現(xiàn)。來自西北大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校的研究人員在該項(xiàng)目上進(jìn)行合作。

先進(jìn)電池中的電極材料是“多晶”的，這意味著它們具有許多不同取向的晶體區(qū)域。由于多晶電極的制造相對(duì)簡(jiǎn)單，科學(xué)家過去將電池研究的重點(diǎn)放在了這些材料的實(shí)驗(yàn)上，這些材料在有序結(jié)構(gòu)中充滿了各種缺陷，這些缺陷通常會(huì)影響性能。

“我們認(rèn)識(shí)到單晶在尋找有前途的新方法方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這些新方法可以在原子和分子水平上理解控制多晶電極電池中充放電過程的化學(xué)方法，”阿貢大學(xué)材料科學(xué)系的助理科學(xué)家Sanja Tepavcevic指出。師。

作為研究其單晶陰極的模型系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)選擇了正在開發(fā)的鈉離子電池來與當(dāng)前的鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)。這些電池的主要吸引力在于，鈉元素比鋰離子電池中使用的鋰要豐富得多。

該小組準(zhǔn)備了鈉-銥氧化物(Na 2 IrO 3)的單晶，并將其用作小型測(cè)試電池中的陰極材料。為了進(jìn)行比較，他們還測(cè)試了具有多晶陰極的類似電池。通過利用阿貢大學(xué)的科學(xué)設(shè)施，特別是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的先進(jìn)光子源(APS)，他們可以確定晶體中每個(gè)原子在不同狀態(tài)的電池充放電的精確位置。

Tepavcevic說：“如果沒有APS的特殊材料表征資源，這個(gè)項(xiàng)目根本不可能實(shí)現(xiàn)。” “我們的團(tuán)隊(duì)成員Jennifer Hong Zheng在將單晶體生長(zhǎng)到精確規(guī)格方面具有世界一流的能力，這也使我們受益匪淺。”

在測(cè)試電池的充放電循環(huán)過程中，人們對(duì)陰極化學(xué)的了解很多。特別是，研究小組調(diào)查了NaIrO 3端點(diǎn)結(jié)構(gòu)超出預(yù)期的額外容量的來源。Tepavcevic說：“使用我們的單晶，我們可以將表面效果與本體效果分開，而在早期的工作中，單獨(dú)使用多晶材料尚不明顯。” 研究小組證明，額外的容量來自表面反應(yīng)，而不是先前認(rèn)為的大部分材料。

對(duì)于改進(jìn)電池設(shè)計(jì)而言，重要的是要知道在循環(huán)過程中如何以及為何發(fā)生材料變化。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，研究小組確定了充電過程中形成的三個(gè)不同相的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)以前是未知的。他們還發(fā)現(xiàn)，由于在充電時(shí)形成了新的有害相，因此電池容量隨循環(huán)而減弱，這種有害相在放電過程中持續(xù)存在，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。