写道氮杂2021年6月10日
自从200年前Volta最初将锌盘和铜盘堆叠在一起以来，电池已经有了显著的发展。
一个富锂阴极的可视化。图片来源:卡内基梅隆大学和东北大学。
虽然该技术从铅酸中连续进化到锂离子，但今天仍然存在几种挑战 - 例如抑制树突的生长并实现更高的密度。专家们急于满足越来越多的全球对安全和节能电池的需求。
飞机和重型车辆的电气化需要具有更多能量密度的电池。根据一支研究小组，需要一个范式转变，以对这些部门进行电池技术产生重大影响。这种变化将利用富含锂的阴极的阴离子还原氧化机制。
这是第一次在富含锂的电池材料中直接观察到阴离子氧化还原反应。这项研究已经发表在自然杂志。
本研究合作的机构包括卡内基梅隆大学日本群马大学、日本同步辐射研究所、横滨国立大学、京都大学、立命馆大学等。
富锂氧化物是一种潜在的阴极材料，因为它们已经被证明具有相对较高的存储容量。欧洲杯足球竞彩然而，电池材料有一个“和”的问题——这种材料应该能够快速充电，持续工作数千次，并在极端温度下保持稳定。欧洲杯足球竞彩为了解决这个问题，研究人员需要更深入地了解这些氧化物是如何在原子水平上发挥作用的，以及它们的基本电化学机制是如何发挥作用的。
普通锂离子电池的功能是通过阳离子氧化还原，特别是当金属离子改变其氧化状态时，锂被移除或插入。在这个插入框架中，每个金属离子只能存储一个锂离子。然而，富含锂的阴极具有储存更多锂的潜力。
科学家归因于阴离子氧化还原机制的这种方面 - 在这个例子中，氧气氧化还原。这种机制已归功于材料的高容量，与传统阴极相比，储能几乎加倍。欧洲杯足球竞彩虽然这种氧化还原机制已经发展为电池技术的主要竞争对手，但它意味着材料化学分析中的枢轴。欧洲杯足球竞彩
研究人员利用一种叫做康普顿散射的现象为氧化还原机制提供了决定性的证据。通过康普顿散射，光子在与粒子(通常是电子)相互作用后会偏离直线轨迹。科学家们在世界上最大的第三代同步辐射设施SPring-8上进行了先进的实验和理论研究，该设施由JASRI管理。
同步辐射含有窄，强光束的电磁辐射，当电子束被加速到（几乎）光速时产生，并且被迫通过磁场在弯曲路径中移动。这使得康普顿散射可见。
科学家们注意到位于稳定和可逆的阴离子氧化还原活性中心的电子轨道是如何被成像和观察的，以及它的对称性和性质是如何被确定的。这一科学突破可能彻底改变未来的电池技术。
虽然早期的研究表明了阴离子氧化还原机制的替代解释，但它们不能提供与氧化还原反应相关的量子机械电子轨道的清晰图像，因为这不能通过经常实验量化。
研究人员听到“啊哈!”他们最初观察到实验和理论发现在氧化还原特性上一致。
”我们意识到我们的分析可以描绘出负责氧化还原机制的氧的状态，这对电池研究是非常重要的“哈登哈菲斯”解释说，该研究的主要作者是在他的时间作为Carnegie Mellon的博士后研究助理的工作。
我们有确凿的证据支持阴离子氧化还原机理的锂电池材料．我们的研究在原子秤上提供了富含锂电池的工作的清晰图片，并表明了设计下一代阴极以实现电气航空的途径。高能密度阴极的设计代表了电池的下一个前沿．
Venkat Viswanathan，卡内基梅隆大学机械工程副教授
期刊引用:
哈菲兹,H。等．（2021）富含锂电池材料中氧气轨道的断层摄影重建。欧洲杯足球竞彩自然．doi.org/10.1038/s41586 - 021 - 03509 - z．
来源：https://engineering.cmu.edu/