原始O3 NaNi0.4Mn0.4Co0.2O2的TEM表征。a低倍和b高倍放大，c高分辨率明场TEM图像，d SAED图案，e GPA分析和f应变O3 NaNi0.4Mn0.4Co0.2O2的原子结构模型。c中的插图是由白色正方形标记的区域的放大视图。c中的颜色代表强度，红色代表最高强度，蓝色代表最低强度。θ是层状方向和应变方向之间的角度。f中的黄色、红色、蓝色、灰色和紫色球体分别代表钠、氧、镍、钴和锰原子。鸣谢:自然通讯(2022)。DOI: 10.1038/ s41467-022-28052-x电池驱动的车辆在运输市场上取得了重大进展。但是市场仍然需要低成本电池来驱动车辆行驶更远的距离。人们还希望低成本的电池能够将太阳能和风能技术产生的间歇性清洁能源储存在电网中，并为成千上万的家庭供电。为了满足这些需求，世界各地的研究人员正在竞相开发超出当前锂离子材料标准的电池。钠离子电池是更有前途的候选电池之一。与锂相比，钠的含量更丰富，成本更低，因此特别具有吸引力。更重要的是，当在高电压(4.5伏)下循环时，钠离子电池可以大大增加在给定重量或体积下可以储存的能量。然而，随着充放电循环，其性能迅速下降，阻碍了商业化。
美国能源部阿贡国家实验室的研究人员发现了性能下降的一个关键原因:在制备阴极材料的步骤中形成的原子结构中出现了缺陷。这些缺陷最终导致阴极的结构性地震，导致电池循环过程中灾难性的性能下降。有了这一知识，电池开发人员现在将能够调整合成条件，以制造更好的钠离子阴极。
这一发现的关键是该团队依赖于阿贡纳米材料中心(CNM)和高级光子源(APS)的世界级科学能力，这两个中心都是能源部科学办公室的用户设施。
Argonne化学科学与工程部门的助理化学家徐说:“这些功能使我们能够在阴极材料合成的同时实时跟踪其原子结构的变化。
在阴极合成过程中，材料制造商将阴极混合物在空气中缓慢加热至非常高的温度，保持一段时间，然后迅速将温度降至室温。
“眼见为实，”纳米科学家玉子·刘说。“有了阿贡世界一流的科学设施，我们不必猜测合成过程中会发生什么。”为此，研究小组调用了CNM的透射电子显微镜和APS的同步加速器X射线束(位于光束线11-ID-C和20-BM)。
他们的数据显示，在材料合成过程中温度迅速下降时，阴极颗粒表面变得不太光滑，并显示出大面积的应变。数据还显示，在阴极循环过程中，这些区域会发生推拉效应，导致阴极颗粒破裂和性能下降。
经过进一步研究，研究小组发现，在高温(130华氏度)或快速充电(1小时而不是10小时)下循环阴极时，这种退化加剧。
“我们的见解对于改进的钠离子阴极的大规模制造极其重要，”Argonne杰出研究员Khalil Amine指出。因为涉及的材料数量很大，比如说1000公斤，所以温度变化很大，如果不采取适当的措施，就会产生许多缺陷。
团队成员的早期研究已经产生了一种大大改进的阳极。“现在，我们应该能够将改进后的阴极与阳极匹配，以实现20%-40%的性能提升，”徐说。“同样重要的是，这种电池在高电压下长期循环也能保持这种性能。”
这种影响可能会导致更实惠的电动汽车行驶里程更长，电网储能成本更低。
该团队在《自然通讯》上发表了一篇题为“钠层状氧化物阴极中的天然晶格应变诱导的结构地震”的文章
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