化学家发现了高容量锂离子电池正极材料能量损失的原因

一个由 Skoltech 科学家及其来自法国
、化学美国和瑞士的现高同事组成的国际团队发现了锂离子电池在使用富锂复合过渡金属氧化物阴极的充放电循环中能量损失的原因。他们表明，容量充电和放电期间工作电压的锂离差异导致能量效率低 ，这与镍的电池的原动力学受阻长寿命中间态的形成有关。

电动汽车行业的发展需要制造具有更高能量密度的锂离子电池，以便为消费者提供更有吸引力的材料续航里程。新一代牵引电池可以在有前途的损失正极材料的基础上制造出来，正极材料是化学锂和过量锂含量的过渡金属的复合氧化物。

由于参与了过渡金属阳离子（镍和钴）和氧阴离子的现高氧化还原反应 ，此类材料迄今为止提供了创纪录的容量电化学容量。不幸的锂离是 ，由于充电和放电电压的电池的原差异（电压滞后）
，这种电池的正极运行伴随着能量损失，这给实际应用造成了障碍 
。材料

在锂离子电池的运行过程中
，带正电的锂阳离子在充电时会离开其在正极材料结构中的位置，而在放电时又会重新组装起来 
。同时 ，阴极材料必须提供或接受等量的电子以保持电中性 。

在我们的工作中，我们表明动能障碍和能垒不仅与锂阳离子的置换有关 ，而且在很大程度上与电子的置换有关。过渡金属阳离子和氧原子之间的电子转移可能会特别迟缓，从而导致能量损失
。

为了‘捕捉’这种受阻电子态，我们首先必须排除其他可能导致工作电压滞后的原因，例如由于过渡金属阳离子的迁移而导致的阴极晶体结构的变化。我们已经令人信服地证明了使用高分辨率透射电子显微镜不存在这种不可逆过程。我们被安装在 Skoltech 高分辨率可视化中央集体使用中心的独特 Titan Themis Z 显微镜允许这样做。该设备提供高达 0.06 nm 的空间分辨率 ，这使得获得具有原子分辨率的晶体结构图像成为可能。

我们的显微镜是一个材料科学实验室 ，可以通过多种方法对物质进行高局部性分析。在这项工作中，我们不仅使用了结构图像 ，而且还能够对镍和钛阳离子的电子状态以及不同电池充电状态下的氧阴离子进行光谱分析。因此，我们发现高氧化态的镍是一种受阻电子态，这也被其他光谱方法证实。

我们的研究表明，现代透射电子显微镜为研究实际重要材料开辟了哪些独特的机会
。如果不了解当地的晶体和电子结构，就不可能定向开发具有独特功能特性的材料。进行此类研究的能力是 Skoltech 的一项重要竞争优势。

该研究还涉及来自法兰西学院
、索邦大学 、电化学储能网络 (RS2E)、伊利诺伊大学、Paul Scherrer 研究所（瑞士）、SOLEIL 同步加速器中心（法国）和波城大学的专家，以及阿杜尔地区（法国）。这篇文章今天发表在《 自然材料》杂志上。