以Li2MnO3为有效催化剂的锂-二氧化碳电池示意图。功劳:伯克利实验室一个在美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)工作的国际团队使用了一种独特的x光仪器来学习关于富含锂的电池材料的新事物，这些材料因其扩展电动汽车范围和电子设备操作的潜力而成为许多研究的主题。研究人员将他们的研究集中在一种叫做锂锰氧化物(Li2MnO3)的材料上，这是所谓的“富锂”材料的极端例子，在这一系列材料中含有尽可能多的锂。电池界最近发展起来的一个原则是，由富锂材料组成的电池电极可以提供高电压、高容量的运行，因为材料中的氧参与可逆的化学“氧化还原”反应，其中氧原子循环地失去和获得电子，帮助电池具有更高的存储和使用电荷的能力。
然而，这项工作表明，在电池运行过程中，可逆反应实际上不涉及Li2MnO3中的氧。相反，对材料中另一种元素锰的进一步分析表明，该材料之所以能够循环，是因为在第一次充电后，该材料不寻常地完全转变为锰基反应，容量相对较低。这一发现为在富锂家庭之外探索高能电极材料铺平了道路。
此外，研究小组特别惊讶地观察到材料表面碳酸盐化合物的“部分可逆”形成和消失。这些高反应性的表面特性表明，这种材料可以起到催化剂的作用，并可以促进奇特的下一代电池(如锂-空气电池和锂-二氧化碳电池)所需的可逆化学反应离子。在i2MnO3表面观察到的碳酸盐化合物含有与氧原子结合的碳，这意味着富锂材料可能是涉及二氧化碳气体的反应的有效催化剂。
“我们都感到兴奋的是，通过对这种材料的基础光谱研究，我们不仅阐明了这种长期争论的材料的反应机制，而且发现了它作为催化剂的概念上的不同用途，”伯克利实验室高级光源(ALS)的高级科学家杨万里说，他为这种类型的电池研究采用了一种称为共振非弹性X射线散射(RIXS)的技术。他还是一项研究的合著者，是一项大型国际合作的一部分。这项研究发表在3月4日的《焦耳》杂志上。
杨万里，柏克莱实验室高级光源的高级科学家，正在研究共振非弹性X射线散射(RIXS)系统。杨将技术用于最近对富锂电池材料的焦耳研究。信用:伯克利实验室“一些发现表明，这种材料由于其高活性表面，实际上更适合作为催化剂。因此，我们的电池材料合作者测试了它作为催化剂，发现它确实对锂-二氧化碳和锂-空气电池具有优越的性能，”他补充道。
研究人员在研究中指出，与使用典型氧化物基催化剂的类似系统相比，基于Li2MnO3催化剂的高容量碳酸盐循环具有更好的可逆性。这一结果也为一整类富碱材料被用作其他应用的催化剂打开了大门，例如燃料电池。
这项研究的关键是肌萎缩侧索硬化症的一个专门束线，它可以一次一个元素地剖析化学反应，以找出哪些元素参与或不参与反应。ALS是一种同步加速器，可以产生从红外线到x光的一系列“颜色”或波长的光。
研究人员利用RIXS绘制了充放电循环不同阶段样品的化学图谱。他们没有发现许多科学家对这种材料预期的可逆氧氧化还原反应的证据。相反，他们发现氧只参与单向氧化反应，并参与非常活跃的表面反应。
杨指出，这项研究推翻了理解电池电极中氧氧化还原活性的几种流行模型，但为可以利用氧氧化还原反应的低成本材料类型开辟了新的思路，因为研究人员发现，富锂电极中氧氧化还原反应的行为实际上与目前使用的传统电化学电池相同。利用氧氧化还原反应有可能使电池具有高电压、高容量的性能。
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