钠离子电池中operando单粒子X射线衍射揭示的P2相(左)和O2相(右)相变过程中原子移动的艺术表现。鸣谢:Jason Huang/假设康奈尔大学的研究人员发现了限制钠离子电池耐用性的一个长期问题的根源，为制造商提供了为21世纪供电的新策略。钠离子电池是电动汽车、能源网和其他应用的一项有前途的技术，因为它们由大量能量密集、不可燃且在较低温度下工作良好的材料制成。但是工程师们还没有完善化学反应。虽然现代电子产品中的锂离子电池可以充电数千次，但大多数钠离子电池只能循环其中的一小部分。
耐用性差源于电池运行中特定的原子重组——P2-氧气相变——离子穿过电池无序的晶体结构并最终打破它们。虽然研究人员对相变很感兴趣，但其背后的机制很难研究，特别是在电池工作期间。
材料科学与工程助理教授Andrej Singer实验室的Cornell团队揭示了该机制的关键方面，并发表在2月1日的《高级能源材料》杂志上。博士生Jason Huang是主要作者。
研究小组发现，随着钠离子在电池中移动，在P2-氧气相变之前，各个粒子内部的晶体层突然对齐之前，晶体层的取向错误会增加。
“我们发现了一种新的关键机制，”辛格说。"在电池充电过程中，原子突然重新排列，促进了有缺陷的相变."
该团队在使用康奈尔高能同步加速器源开发了一种新的X射线成像技术后，能够观察到这种现象，这使他们能够实时和大规模地观察电池样本中单个粒子的行为。
“这种意想不到的原子排列在传统的粉末X射线衍射测量中是看不见的，因为它需要看到单个阴极纳米粒子的内部，”Singer说。“我们前所未有的高通量数据使我们能够揭示微妙而关键的机制。”
这一发现促使该团队为他们正在使用的钠离子电池类型提出了新的设计选项，他们计划在未来的研究项目中进行调查。黄说，一个解决办法是在有缺陷的过渡阶段之前，修改电池的化学性质，在p粒子中引入一种策略性的无序。
“通过改变我们的过渡金属的比例，在这种情况下，镍和锰，”黄说，“我们可以引入一点无序，并潜在地减少我们观察到的有序效应。”
黄说，新的表征技术可用于揭示其他纳米粒子系统中的复杂相行为，但其最佳应用可能仍是在下一代储能技术中。
“我们正在推进钠离子电池的前沿，以及我们对它们的了解，”黄说，“利用这些知识来设计更好的电池，将有助于推动这项技术在未来的实际应用。”
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