作為法拉第研究所CATMAT項目的一部分，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：“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于目前商業(yè)上使用的富鎳陰極所提供的更大的改進具有潛在的重大意義。法拉第研究所對氧氧化還原的基本機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。”

法拉第研究所（FaradayInstitution）首席執(zhí)行官帕姆?托馬斯（PamThomas）表示：“在英國的電氣化競賽中，找到開拓性的解決方案需要大規(guī)模、集中的研究工作，目標是與行業(yè)相關(guān)的目標。CATMAT項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，并可能擴大未來電動汽車的范圍。這一突破得益于鉆石光源和羅伊斯研究所提供的最先進設(shè)施的使用，顯示了保持英國研究基礎(chǔ)設(shè)施實力的重要性。”

電動汽車續(xù)航里程的增加要求電池材料能夠在更高的電壓下儲存更多的電荷，以達到更高的“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存電荷。

使用這種氧氧化還原材料來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，實現(xiàn)氧氧化還原材料的全部潛力受到了它們在第一次充電時所經(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的循環(huán)中，電壓會顯著下降。

這項重要的研究工作已經(jīng)在世界各地進行了一段時間，以揭示氧氧化還原機制，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：“此外，計算模型已經(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)定性的實用策略，從而為實現(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項目正在探索。新發(fā)展起來的機械理解將加速這些領(lǐng)域的研究，為迭代、試錯方法提供一種替代方法。在一個新的研究方向中，研究人員正在研究一種獨特的“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。