由于其高存儲容量，金屬氧化物是用于下一代鋰離子電池的一類很有前途的潛在轉換型電極材料。轉化型電極材料發生轉化反應；當它們與鋰離子反應時，它們會轉化為全新的產品。現在的商用電池基于一種完全不同的機制，稱為插層。

美國能源部(DOE)功能納米材料中心(CFN)電子顯微鏡組的資深科學家SooyeonHwang解釋說，在嵌入過程中，鋰可以可逆地插入電極材料和從電極材料中提取，而不會破壞其晶體結構。雖然這些材料高度穩定，但只有有限數量的鋰離子可以參與。因此，它們的容量相對低于轉換型材料。

更多的鋰離子可以參與金屬氧化物電極材料的轉化反應，從而實現更高的電池容量，電化學和X射線吸收光譜學專家JiHoonLee補充道，他曾在布魯克海文實驗室化學部進行研究在哥倫比亞大學做博士后期間，現在是韓國慶北國立大學的助理教授。然而，這些材料的晶體結構從其原始狀態完全改變，導致不穩定，例如在多次充放電循環中容量衰減。

來自CFN和合作機構的Hwang及其同事多年來一直在研究轉換型電極材料。此前，他們在高電流下研究了氧化鐵電極，發現長期循環過程中的“動力學障礙”會導致容量衰減。在高電流下，電池的充電和放電速度相對較快，就像真正的電池一樣。

如果這種循環發生得太快，就會在電極材料上產生鋰梯度，黃解釋道，例如，一個位置可能比另一個位置插入或提取的鋰更多。

現在，該團隊由Hwang和Lee共同領導，包括來自CFN、化學部和布魯克海文實驗室國家同步加速器光源II(NSLS-II)的科學家，通過在更溫和的條件下操作電池來消除這些動力學障礙。充放電后電流小，電壓恒定。盡管這些實驗條件與現實條件之間存在差距，但了解電極材料在基本層面上的行為方式可以為性能更好的電池的新設計提供信息。

在這種情況下，他們在鋰離子半電池中測試了兩種無毒且廣泛使用的金屬氧化物——氧化鎳或氧化鐵中的一種。

我們在這項初步研究中的目標是進行簡單的電化學測試，以了解鋰嵌入和脫嵌的基本機制，黃說，未來的研究將需要涉及兩個電極的全電池。

電化學測試揭示了10次循環后電池電壓曲線和容量的顯著差異。為了表征循環電極材料的變化，該團隊在三個NSLS-II光束線——快速X射線吸收和散射(QAS)、對分布函數(PDF)和X射線粉末衍射(XPD)——以及在CFN。QAS光束線提供了每種金屬在不同充電和放電狀態下的化學信息，包括氧化態。PDF和XPD光束線非常適合確定晶體結構，PDF對原子鍵的局部配置方式特別敏感。

從這些X射線同步加速器研究中，該團隊觀察到氧化鎳中的鎳和氧化鐵中的鐵的還原和氧化（氧化還原）反應不是很可逆。然而，他們不知道不完全再轉化反應和容量衰減的原因。他們在CFN電子顯微鏡設備中使用透射電子顯微鏡(TEM)，獲得了高分辨率圖像。這些圖像顯示充電后出現鋰金屬氧化物的中間相。相比之下，在放電過程中，金屬氧化物直接轉化為氧化鋰和純金屬。

中間相的存在意味著鋰在充電過程中沒有被完全提取，黃解釋說，這個階段會隨著時間的推移持續存在并積累。因此，用于后續循環的可用鋰離子數量減少，導致容量在一個循環后不斷下降。以前，我們證明了動力學障礙是容量衰減的原因，但在這里我們證明內在限制也會導致容量下降。

鑒于這些結果，該團隊認為充電和放電是通過不同的（“不對稱”）反應途徑發生的。在充電過程中提取鋰離子需要能量，因此該反應遵循基于能量轉移或熱力學的途徑。另一方面，放電過程中鋰離子的插入是自發發生的，這種快速的鋰擴散遵循動力學驅動的替代途徑。

接下來，該團隊計劃表征其他轉換型電極材料，如金屬硫化物，并在電池循環過程中進行研究；這種原位表征是CFN擅長的領域之一。