作為法拉第研究所CATMAT項(xiàng)目的一部分，牛津大學(xué)的科學(xué)家們研究下一代陰極材料，在理解富鋰陰極材料中氧氧化還原過程方面取得了重大進(jìn)展。這篇發(fā)表在《自然能源》（NatureEnergy）上的論文提出了一些策略，為提高鋰離子電池的能量密度提供了可能的途徑。

牛津大學(xué)首席科學(xué)家彼得·布魯斯教授說(shuō)：“在不斷提高鋰離子電池能量密度的過程中，能夠利用氧氧化還原陰極的潛力以及它們相對(duì)于目前商業(yè)上使用的富鎳陰極所提供的更大的改進(jìn)具有潛在的重大意義。法拉第研究所對(duì)氧氧化還原的基本機(jī)制的深入理解是為減輕此類材料目前的局限性的戰(zhàn)略提供信息的重要一步，使其潛在的商業(yè)用途更接近現(xiàn)實(shí)。”

法拉第研究所（FaradayInstitution）首席執(zhí)行官帕姆?托馬斯（PamThomas）表示：“在英國(guó)的電氣化競(jìng)賽中，找到開拓性的解決方案需要大規(guī)模、集中的研究工作，目標(biāo)是與行業(yè)相關(guān)的目標(biāo)。CATMAT項(xiàng)目是法拉第研究所研究人員取得重大科學(xué)里程碑的一個(gè)例子，這一里程碑開啟并加速了探索電池材料的多種新研究途徑，并可能擴(kuò)大未來(lái)電動(dòng)汽車的范圍。這一突破得益于鉆石光源和羅伊斯研究所提供的最先進(jìn)設(shè)施的使用，顯示了保持英國(guó)研究基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)力的重要性。”

電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的增加要求電池材料能夠在更高的電壓下儲(chǔ)存更多的電荷，以達(dá)到更高的“能量密度”。提高鋰離子正極材料能量密度的方法有限。大多數(shù)電流陰極材料是層狀過渡金屬氧化物，包括鈷、鎳和錳。一種研究方法是在氧化物離子和過渡金屬離子上儲(chǔ)存電荷。

使用這種氧氧化還原材料來(lái)提高陰極能量密度已經(jīng)研究了好幾年光景了，但是在商業(yè)電池中，實(shí)現(xiàn)氧氧化還原材料的全部潛力受到了它們?cè)诘谝淮纬潆姇r(shí)所經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)變化的阻礙，這些結(jié)構(gòu)變化主要是不可逆的，在隨后的放電和未來(lái)的循環(huán)中，電壓會(huì)顯著下降。

這項(xiàng)重要的研究工作已經(jīng)在世界各地進(jìn)行了一段時(shí)間，以揭示氧氧化還原機(jī)制，解釋這些結(jié)構(gòu)的變化，但清楚地了解氧化氧的性質(zhì)仍然是一個(gè)難題的關(guān)鍵部分。

諸如共振非彈性X射線散射（RIXS）等技術(shù)在過去被成功地用于探測(cè)氧的變化。但通過與鉆石光源I21光束線的最新研究人員合作，法拉第研究所的研究人員成功地解決了這些RIXS特征，這些特征表明大部分材料中的氧化氧物種是分子氧，而不是過氧化物或其他物種。

SaifulIslam教授說(shuō)：“此外，計(jì)算模型已經(jīng)證明，分子氧的演化既可以解釋觀察到的電化學(xué)反應(yīng)（首次放電時(shí)電壓的降低），也可以解釋觀察到的結(jié)構(gòu)變化（分子氧在大部分材料中的調(diào)節(jié)作用）。”巴斯和卡特馬特大學(xué)首席研究員這種將分子氧和電壓損失聯(lián)系在一起的單一統(tǒng)一模型使研究人員能夠提出避免氧氧化還原誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性的實(shí)用策略，從而為實(shí)現(xiàn)更可逆的高能密度鋰離子陰極提供潛在途徑。

本文提出了六種不同新穎性的策略，這些策略都很有前途，CATMAT項(xiàng)目正在探索。新發(fā)展起來(lái)的機(jī)械理解將加速這些領(lǐng)域的研究，為迭代、試錯(cuò)方法提供一種替代方法。在一個(gè)新的研究方向中，研究人員正在研究一種獨(dú)特的“超結(jié)構(gòu)”的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)可以控制過渡金屬層中鋰原子的有序性，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并減少電壓損失。