透射电子显微镜照片显示了电池充放电循环中三个不同阶段的阴极原子结构。白色三角形表示不合适的离子或缺陷。由于左边的照片显示阴极处于原始状态，因此没有缺陷。另外两张照片之间明显的离子迁移远远不足以解释观察到的电压滞后程度。功劳:李彪等人/自然化学一个由两名斯科尔泰克科学家组成的国际研究小组通过实验证明，长期以来对锂离子电池低能效的解释是站不住脚的。研究人员用阴极中氧和过渡金属原子之间的缓慢电子转移来解释这一现象，而不是原子本身经历的迁移。这项研究周四发表在《自然化学》杂志上。如今用于电动汽车和电子产品的锂离子电池的容量大约是拥有富锂氧化物阴极的同类电池的一半。后一种技术的问题是它的效率低:你必须花费比它最终消耗的更多的能量来给电池充电。随着时间的推移，特别是对于消耗大量能量的应用，这种损失的能量真的会累积起来，使得这种类型的电池目前还不具备商业可行性。
为了释放具有富锂氧化物阴极的电池的潜力，研究人员必须了解其低效率背后的机制，以及损失的能量到底去了哪里。《自然化学》杂志最近的研究提供了实验证据，驳斥了先前对这一现象的解释——技术上称为电压滞后——并提供了解释这一现象的新理论。
当锂离子电池充电时，锂离子在两个电极之间移动。它们向阳极迁移，在阴极留下空位。循环的另一半包括锂离子随着能量的消耗而返回，比如给手机供电。
“然而，与此同时，组成阴极的一些过渡金属原子可能暂时侵入了空位，然后又被拉回来，在这种跳跃上花费了宝贵的能量。这项研究的合著者、斯科尔特奇博士学生阿纳托利·莫罗佐夫说:“电压滞后的旧理论就这样过去了。
为了验证这一解释，研究人员在Skoltech的高级成像核心设施使用透射电子显微镜，在电池充放电循环的不同阶段，监测了由分子式为Li1.17Ti0.33Fe0.5O2的材料制成的富锂电池阴极的原子结构(见下图)。然而，没有观察到铁或钛原子向锂空位的显著迁移，这表明一些其他过程正在虹吸能量。
“我们的发现激发了团队在其他地方寻找电压迟滞的起源。引起这种现象的不是可逆的阳离子迁移，而是氧原子和过渡金属原子之间的可逆电子转移。当电池充电时，铁中的一些电子被氧原子劫持。后来，他们回去了。这种可逆的转移消耗了一些能量，”斯科特能源科学与技术中心主任阿尔特姆·阿巴库莫夫教授解释说。
“从电子转移的角度理解电压滞后可能会对减轻这种不受欢迎的影响产生直接影响，从而使下一代锂离子电池能够以创纪录的高能量密度为电动汽车和便携式电子设备提供动力，”他继续说道。“为了实现下一步，化学家可以在元素周期表和‘化学柔软性’等概念的指导下，通过改变阳离子-阴离子键的共价性来操纵电子转移势垒。”"
“这证明了先进的透射电子显微镜在破译极端复杂的局部结构方面的能力。Skoltech的年轻研究人员可以直接轻松地使用像像差校正电子显微镜这样的复杂设备，并有机会接受进一步培训，这真是太棒了。这使我们能够与学术界和工业界的国际同行合作，为顶级电池研究做出贡献，”莫罗佐夫补充道。
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