美國能源部阿貢國家實驗室的科學家們創造并測試了一種單晶電極，有望為世界范圍內正在開發的電動汽車、消費電子產品和其他應用的先進電池帶來重大發現。美國西北大學和伊利諾斯大學芝加哥分校的研究人員參與了該項目的合作。

先進電池中的電極材料是“多晶的”，這意味著它們有許多不同方向的晶體區域。由于多晶電極的制造相對簡單，科學家們過去的電池研究重要集中在用這些材料進行實驗，這些材料在有序結構中有各種各樣的缺陷，這些缺陷常常會影響電池的性能。

“我們認識到，單晶可以在確定新方法方面發揮重要用途，從而在原子和分子水平上理解控制多晶電極電池充放電過程的化學過程，”阿貢國家實驗室材料科學部門的助理科學家SanjaTepavcevic指出。

作為研究其單晶陰極的模型系統，該團隊選擇了正在開發的鈉離子電池來與現有的鋰離子電池競爭。

研究小組制備了鈉－氧化銥單晶（Na2IrO3），并將其作為陰極材料用于小型測試電池中。為了進行比較，他們還用多晶陰極測試了類似的電池。通過利用阿貢的科學設施，尤其是先進光子源，他們可以確定晶體結構中每個原子的精確位置，以滿足不同的電池充放電狀態。

Tepavcevic說：“假如沒有先進光子源非凡的材料特性資源，這個項目是不可能完成的。我們也極大地受益于團隊成員JenniferHongZheng的專業知識，她具有世界級的能力，能夠將單晶生長到精確的規格。”

研究團隊對試驗電池充放電循環過程中的陰極化學進行了深入的研究。特別是，研究小組調查了NaIrO3端點結構超出預期的額外容量的起源。Tepavcevic說：“使用我們的單晶，我們可以將表面效應與本體效應分開，這在早期的多晶材料研究中是不明顯的。”研究小組證明，額外的容量來自表面反應，而不是先前認為的大部分材料。

關于改進電池設計而言，重要的是要了解在循環過程中如何以及為何會發生材料變化。通過測試結果，研究小組確定了在充電過程中形成的三個不同相的化學結構，其中兩個以前是未知的。他們還發現，由于在充電時形成了新的有害相，因此電池容量隨循環而減弱，這種有害相在放電過程中持續存在，并且隨著循環次數的新增而增大。

“我們通過單晶電極了解到的鈉離子電池比我們在項目開始時預想的要多，”材料科學部門的杰出研究員JohnMitchell說。“很明顯，單晶打開了一扇窗，讓我們更好地了解控制所有電池類型的能量儲存和釋放的化學和電子轉換，以及它們在循環過程中的降解機制。”有了這些知識，未來的電池研究人員將能夠為合成新的和改進的具有所需功能的多晶材料制定設計規則。