新的基因組方法揭示了電池材料的原子排列

美國能源部(DOE)布魯克海文國家實驗室，石溪大學(SBU)的科學家，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的材料項目，加利福尼亞大學，伯克利分校和歐洲合作者共同開發了一種新方法根據從磨碎的粉末樣品中收集的數據，破譯材料的原子級結構。他們在剛剛發表在《化學材料》雜志上的一篇論文中描述了他們的方法并證明了其解決材料結構的能力，該材料表明了通過鈉離子電池穿梭離子的前景。

布魯克海文實驗室的聯合作者彼得·哈利法(Peter Khalifah)說：“即使只有粉末樣品，我

們的方法也結合了實驗，理論和現代計算工具，以提供理解重要功能材料所需的高質量結構數

據。”和SBU。

在某些方面，該技術是逆向工程的一種形式。它不是直接從粉末樣品上測得的實驗數據中求解

結構，而是解決了許多材料都無法解決的問題，而是使用計算機算法來構建和評估材料的所有

可能結構。通過以這種方式分析與材料關聯的“基因組”，即使這種結構太復雜以至于傳統的

結構求解方法都失敗了，也可以找到正確的結構。

電池陰極凍結架

對于本文中描述的研究，X射線粉末衍射實驗是由西班牙合作伙伴Matteo Bianchini和

Francois Fauth在西班牙巴塞羅那的ALBA同步加速器上進行的，該小組是由Christian

Masquelier領導的團隊的一部分。科學家利用該設施的明亮X射線束研究了從室溫到各種溫度

的鈉離子電池陰極材料NVPF的原子排列降低到極低的低溫溫度，在這種溫度下大氣會液化。這

項工作是必要的，因為當NVPF冷卻到低溫時，其在室溫結構中的紊亂就消失了。而且，盡管電

池在室溫附近工作，但解密材料的低溫結構仍然至關重要，因為只有這種無序的低溫結構才能

使科學家清楚地了解室溫下存在的真正化學鍵。這種化學鍵合環境強烈影響離子在室溫下如何

穿過結構移動，從而影響NVPF作為電池材料的性能。

哈利法解釋說：“鈉原子周圍的鍵合環境(每個原子有多少個鄰居)在低溫下與在室溫下基本

相同。”但試圖在室溫下捕捉這些細節就像試圖讓孩子們坐下來一樣仍在拍照。“一切都變得

模糊了，因為離子的移動太快而無法拍照。” 因此，從室溫數據推斷出的某些粘合環境不正

確。相比之下，低溫會凍結鈉離子的運動，從而提供鈉離子不移動時所在的局部環境的真實情

況。