對單晶電極的研究可以加快新電池系統的設計

科學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。對于電池電極中的晶體材料，其有序的微觀結構具有實用的優勢，可簡化充電和放電期間電極內的離子轉移。

美國能源部(DOE)阿爾貢國家實驗室的科學家已經創建并測試了一種單晶電極，有望在全球范圍內為電動汽車，消費電子產品和其他應用開發的高級電池中產生關鍵性發現。來自西北大學和伊利諾伊大學芝加哥分校的研究人員在該項目上進行合作。

先進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域。由于多晶電極的制造相對簡單，科學家過去將電池研究的重點放在了這些材料的實驗上，這些材料在有序結構中充滿了各種缺陷，這些缺陷通常會影響性能。

“我們認識到單晶在尋找有前途的新方法方面發揮著至關重要的作用，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方法，”阿貢大學材料科學系的助理科學家Sanja Tepavcevic指出。師。

作為研究其單晶陰極的模型系統，該團隊選擇了正在開發的鈉離子電池來與當前的鋰離子電池競爭。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。

該小組準備了鈉-銥氧化物(Na 2 IrO 3)的單晶，并將其用作小型測試電池中的陰極材料。為了進行比較，他們還測試了具有多晶陰極的類似電池。通過利用阿貢大學的科學設施，特別是美國能源部科學用戶設施辦公室的先進光子源(APS)，他們可以確定晶體中每個原子在不同狀態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，這個項目根本不可能實現。” “我們的團隊成員Jennifer Hong Zheng在將單晶體生長到精確規格方面具有世界一流的能力，這也使我們受益匪淺。”

在測試電池的充放電循環過程中，人們對陰極化學的了解很多。特別是，研究小組調查了NaIrO 3端點結構超出預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，而不是先前認為的大部分材料。

對于改進電池設計而言，重要的是要知道在循環過程中如何以及為何發生材料變化。根據測試結果，研究小組確定了充電過程中形成的三個不同相的化學結構，其中兩個以前是未知的。他們還發現，由于在充電時形成了新的有害相，因此電池容量隨循環而減弱，這種有害相在放電過程中持續存在，并且隨著循環次數的增加而增大。