美国科学家控制阴极材料中结构缺陷浓度 可提升锂离子电池性能

大龙车务 工程师们都在设计具备更持久电池的智能手机、续航里程可达上百英里的、可以存储可再生能源供未来使用的可靠电网，而如果科学家们能够设计更好的阴极材料，上述技术将唾手可得。

（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

迄今为止，增强阴极材料的典型策略是改变其化学成分。不过，，现在美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的化学家们对电池性能有了新发现，得出了优化阴极材料的不同策略。他们的研究专注于控制阴极材料中结构缺陷的数量。

布鲁克海文国家实验室兼纽约州立大学石溪分校（Stony Brook University）化学家Peter Khalifah表示：“我们改变了阴极的原子排列，而不是改变其化学成分。”

现在，大多数的阴极材料都由锂离子和镍等过渡金属交替层组成。在此类层状结构中，通常可以发现少量缺陷，意味着可以在应该存在锂离子的地方找到过渡金属的原子，反之亦然。

Khalifah表示：“可以将缺陷看出是完美材料结构的“错误”。众所周知，如果存在大量的缺陷，会导致电池性能糟糕。但是，我们了解到，如果有少量缺陷，实际上可以改善电池的关键性能。” Khalifah表示，好的阴极材料会具备两种性能：离子电导性（锂离子可以很好地移动）以及电子电导性（电子可以很好地移动）。

他表示：“缺陷就像是在锂离子和过渡金属层之间戳一个洞，让锂离子和电子不再局限于二维空间，而是可以在三维空间中移动。”

为了得出该结论，科学家们需要进行比以往更高精度的实验，测量阴极材料中的缺陷浓度。Khalifah表示：“阴极材料的缺陷浓度在2%至5%之间。以前，只能以大约1%的灵敏度测量缺陷浓度，在该项研究中，我们精确测量了缺陷浓度，灵敏度为0.1%。”

为了实现此种精确度，科学家们利用美国能源部两个科学用户机构 – 能源部阿贡国家实验室的大型同步加速器先进光子源（Advanced Photon Source，APS）和能源部橡树岭国家实验室的散射中子源（Spallation Neutron Source，SNS）的数据，进行了粉末衍射分析。

粉末衍射是一种强大的研究技术，可以通过将X射线、中子或电子的光束射向材料，并研究光束如何衍射，以了解材料中单个原子的位置。在本研究中，科学家们在APS进行 X射线测量，在SNS进行了中子测量。

科学家们能够如此精确地测量缺陷浓度，之后就可以研究缺陷与阴极材料之间的关系。最终，科学家们研发了一种可以实现任何缺陷浓度的“配方”。未来，此种配方可以指导科学家利用更便宜、更环保的材料合成阴极，然后调整缺陷浓度，实现最佳电池性能。