富锂阴极的可视化。信用:卡内基梅隆大学和东北大学电池自200年前沃尔特首次将铜和锌盘堆叠在一起以来，已经取得了长足的进步。虽然这项技术不断从铅酸向锂离子发展，但许多挑战仍然存在——比如实现更高的密度和抑制枝晶生长。专家们正竞相解决全球对节能和安全电池日益增长的需求。重型车辆和飞机的电气化需要能量密度更高的电池。一组研究人员认为，要对这些行业的电池技术产生重大影响，范式转变是必要的。这种转变将利用富锂阴极的阴离子还原氧化机制。发表在《自然》杂志上的发现标志着首次在富含锂的电池材料中观察到这种阴离子氧化还原反应的直接观察。
合作机构包括卡耐基梅隆大学、东北大学、芬兰拉普兰达-拉赫提理工大学(LUT)以及日本的群马大学、日本同步辐射研究所、横滨国立大学、京都大学和立命馆大学。
富含锂的氧化物是很有前途的阴极材料，因为它们具有更高的存储容量。但是电池材料必须满足一个“与问题”——材料必须能够快速充电，在极端温度下稳定，并可靠地循环数千次。为了解决这个问题，科学家需要清楚地了解这些氧化物在原子水平上是如何工作的，以及它们潜在的电化学机制是如何发挥作用的。
正常的锂离子电池通过阳离子氧化还原工作，当锂被插入或取出时，金属离子改变其氧化态。在这个插入框架内，每个金属离子只能储存一个锂离子。然而，富锂阴极可以储存更多。研究人员将其归因于阴离子氧化还原机制——在这种情况下，是氧氧化还原。这种机制归功于材料的高容量，与传统阴极相比，能量存储几乎翻了一番。尽管这种氧化还原机制已经成为电池技术的主要竞争者，但它标志着材料化学研究的一个支点。
该团队开始使用康普顿散射为氧化还原机制提供确凿的证据，康普顿散射是光子与粒子(通常是电子)相互作用后偏离直线轨迹的现象。研究人员在SPring-8进行了复杂的理论和实验研究，SPring-8是世界上最大的第三代同步辐射设施，由JASRI运营。
同步辐射由窄而强的电磁辐射束组成，当电子束加速到接近光速时，在磁场的作用下被迫以弯曲的路径行进，在这种状态下康普顿散射变得可见。
研究人员观察了位于可逆和稳定的阴离子氧化还原活性中心的电子轨道是如何成像和可视化的，并确定了它的特征和对称性。这一科学首创可能会改变未来电池技术的游戏规则。
虽然先前的研究已经提出了阴离子氧化还原机制的替代解释，但它不能提供与氧化还原反应相关的量子力学电子轨道的清晰图像，因为这不能通过标准实验来测量。
当研究小组第一次看到理论和实验结果在氧化还原特性上的一致时，他们有一个“哈哈”的时刻。“我们意识到，我们的分析可以对负责氧化还原机制的氧状态进行成像，这对电池研究至关重要，”该研究的主要作者哈斯奈恩·哈菲兹解释说，他在卡内基梅隆大学担任博士后研究助理期间开展了这项工作。
“我们有确凿的证据支持富含锂的电池材料中的阴离子氧化还原机制，”卡内基梅隆大学机械工程副教授文卡特·维斯瓦纳坦说。“我们的研究清楚地展示了原子级富锂电池的工作原理，并提出了设计下一代阴极以实现电动航空的途径。高能量密度阴极的设计代表了电池的下一个前沿。”
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