導讀:國際科學家小組發現了一種“空間電荷”機制,該機制解釋了為何用作鋰離子電池電極的某些金屬氧化物顯示出比理論上應有的容量更高的儲能容量。該小組表示,這項研究將為開發更先進的儲能系統新途徑。

由德克薩斯大學奧斯丁分校(UTA)領導的科學家聲稱,他們已經解決了一個長期困擾鋰離子電池研究人員的謎團,解釋了為何某些電極材料顯示出了超出物理可能的高儲能容量。

鋰離子技術已經負責改變我們與便攜式設備通信和供電的方式,現在正在推動全球運輸和能源供應領域的革命。德克薩斯大學奧斯汀分校的ArumugamManthiram發表了一篇新論文,研究了該技術的發展,從1970年代的最初發現到今天研究“未來電池”的研究人員的考慮。

通過與我國青島大學和山東大學以及麻省理工學院和加拿大大學的合作,該小組能夠證明幾種基于過渡金屬氧化物的化合物,它們的儲存能力是當今的三倍,并解釋一種現象,使這些材料的容量超出其理論極限。

UTA副教授余桂華說:“近二十年來,研究人員一直被這些超出理論極限的異常高的能力所困擾。這項工作證明了第一個實驗證據,表明額外的電荷通過空間電荷儲存機制被物理地儲存在這些材料中。”

在《自然材料》雜志上發表了一篇用原位磁測法揭示過渡金屬鋰離子電池具有額外儲能能力的論文,對其機理進行了闡述。該小組證明,由于電池放電過程中形成的金屬納米顆粒,額外的能量被儲存在金屬氧化物表面。這些納米顆粒顯示出強大的表面電容和存儲大量電子的能力。

這種現象被證明是氧化鐵電極額外容量的重要來源,也存在于氧化鈷和氧化鎳以及氟化鐵和氮化物中。雖然對這些材料在電池中的行為的了解還很有限,但該小組相信,他們的發現代表著克服了進一步開發的重大挑戰。

為了觀察這個機制的用途,他們采用了一種叫做原位磁學的技術。這通常在物理學中用于研究極小尺度的電荷儲能,并依賴于測量磁性的變化來量化電荷容量。余桂華副教授說:“最重要的結果是從物理學家常用但在電池界很少使用的技術中獲得的。這是物理學和電化學完美結合的完美展示。”