新研发的CSRD材料局部无序技术有望缩短电池充电时间 增加能量储存能力

是什么决定了电池的循环寿命？更重要的是，我们怎样才能延长电池的循环寿命？由代尔夫特理工大学领导的一个国际研究小组发现，氧化物阴极材料中的局部无序会增加锂离子电池的充放电次数。他们的研究成果已发表在《自然》杂志上。

不稳定的电极

充电电池是能源转型的关键要素，尤其是在可再生能源越来越多的今天。在多种可充电电池中，锂离子电池是功能最强大、应用最广泛的电池之一。为了使其电气连接，通常使用层状氧化物作为电极。然而，当电池充电时，它们的原子结构会变得不稳定。这最终会影响电池的循环寿命。

局部失调

为了解决这个问题，代尔夫特理工大学的"电化学能量存储"小组与国际研究人员合作。论文的第一作者是王启迪，他介绍说："用作锂离子电池阴极材料的层状氧化物是整齐有序的。我们进行了一项结构设计研究，通过改进合成方法在这种材料中引入化学短程无序。因此，它在电池使用过程中变得更加稳定"。

有序的层状结构是锂（Li）离子阴极的重要组成部分。然而，在充电过程中，本质上脆弱的缺锂框架很容易受到晶格应变、结构和/或化学机械退化的影响，导致容量迅速下降，从而缩短电池寿命。在此，研究人员报告了一种通过在氧化物阴极中整合化学短程无序（CSRD）来解决这些问题的方法，它涉及晶格中元素在空间维度上的局部分布，跨越几个最近邻间距。这是在结构化学基本原理的指导下，通过改进的陶瓷合成工艺实现的。

为了证明其可行性，研究人员展示了CSRD的引入如何对层状氧化锂钴阴极的晶体结构产生重大影响。这表现在过渡金属环境及其与氧气的相互作用上，有效防止了锂去除过程中晶体板的有害滑动和结构退化。同时，它还会影响电子结构，从而提高电子导电性。

这些特性对锂离子存储能力大有裨益，可显著提高循环寿命和速率能力。此外他们还发现CSRD可以通过改进化学共掺杂的方式引入到其他层状氧化物材料中，这进一步说明了CSRD在增强结构和电化学稳定性方面的潜力。这些发现为氧化物阴极的设计开辟了新的途径，帮助深入了解了CSRD对先进功能材料晶体和电子结构的影响。