美国打造单晶电极 将为电动汽车研发具多晶材料的先进电池

科学博物馆展出的钻石和水晶令人赏心悦目，其几何形状和颜色令人炫目，原因在于此类物体的原子排列极其有序。对于电池电极中的晶体材料而言，微观结构的有序排列对于电池充放电过程中，电极内的离子传输具有实际意义。

（图片来源：美国能源部阿贡国家实验室）

据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室（the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory）打造并测试了一种单晶电极，有望为全球的电动汽车、消费电子产品和其他应用研发先进电池。美国西北大学（Northwestern University）和芝加哥伊利诺伊大学（the University of Illinois）的研究人员也参与了该项目。

先进电池中的电极材料是“多晶”材料，因而具有多个方向不同的晶体区域。由于多晶电极的制造相对简单，过去科学家们一直将电池研究的重点放在如何对此类材料进行实验，因为此类材料虽然结构有序，但是充满了各种各样的缺陷，往往会影响到电池性能。

该研究团队选择了正处于研发中的钠离子电池（与现有的锂离子电池形成竞争）作为模型系统，以研究单晶阴极。此类电池具有吸引力的主要原因在于，钠元素比锂离子电池中的锂储量要丰富得多。

该团队制备了钠-氧化铱（Na2IrO3）单晶体，并将其作为小型测试电池的阴极材料。为了对比，研究人员还测试了具备多晶阴极材料的类似电池。利用阿贡实验室的科学设备，特别是DOE科学用户设备办公室的先进光子源（Advanced Photon Source，APS），研究人员确定电池处于不同充放电状态时，晶体结构中每个原子的确切位置。

研究人员对测试电池充放电循环过程中阴极的化学性做了大量研究，特别是，该团队调查了超过NaIrO3端点结构预期额外容量的来源。研究人员表示：“利用我们的单晶体，我们能够将表面效应与体效应区分开来，而在早期的多晶材料研究中此种区分并不明显。”该团队证明，额外的容量来自于表面效应，而不是之前认为的体效应。

改进电池设计的重要步骤就是了解电池充放电循环中，材料如何以及为什么发生变化。根据测试结果，该团队确定了在充电过程中会形成三个不同相的化学结构，其中两个是原先并不知道的。此外，还发现电池容量随着充放电循环而减弱，这是因为充电时形成了一个新型有害相，在放电时，该有害相还一直存在，并随着循环次数增加而增大。

获得了上述成果，未来的电池研究人员将能够设定新型电池设计规则，合成新型、得到改进、具备所需功能的多晶材料。