法拉第研究所在氧氧化还原材料方面取得重大进展 为提高电池密度供应更多途径

作为法拉第研究所CATMAT项目的一部分，牛津大学的科学家们研究下一代阴极材料，在理解富锂阴极材料中氧氧化还原过程方面取得了重大进展。这篇发表在《自然能源》（NatureEnergy）上的论文提出了一些策略，为提高锂离子电池的能量密度提供了可能的途径。

牛津大学首席科学家彼得·布鲁斯教授说：“在不断提高锂离子电池能量密度的过程中，能够利用氧氧化还原阴极的潜力以及它们相对于目前商业上使用的富镍阴极所提供的更大的改进具有潜在的重大意义。法拉第研究所对氧氧化还原的基本机制的深入理解是为减轻此类材料目前的局限性的战略提供信息的重要一步，使其潜在的商业用途更接近现实。”

法拉第研究所（FaradayInstitution）首席执行官帕姆•托马斯（PamThomas）表示：“在英国的电气化竞赛中，找到开拓性的解决方案需要大规模、集中的研究工作，目标是与行业相关的目标。CATMAT项目是法拉第研究所研究人员取得重大科学里程碑的一个例子，这一里程碑开启并加速了探索电池材料的多种新研究途径，并可能扩大未来电动汽车的范围。这一突破得益于钻石光源和罗伊斯研究所提供的最先进设施的使用，显示了保持英国研究基础设施实力的重要性。”

电动汽车续航里程的增加要求电池材料能够在更高的电压下储存更多的电荷，以达到更高的“能量密度”。提高锂离子正极材料能量密度的方法有限。大多数电流阴极材料是层状过渡金属氧化物，包括钴、镍和锰。一种研究方法是在氧化物离子和过渡金属离子上储存电荷。

使用这种氧氧化还原材料来提高阴极能量密度已经研究了好几年光景了，但是在商业电池中，实现氧氧化还原材料的全部潜力受到了它们在第一次充电时所经历的结构变化的阻碍，这些结构变化主要是不可逆的，在随后的放电和未来的循环中，电压会显著下降。

这项重要的研究工作已经在世界各地进行了一段时间，以揭示氧氧化还原机制，解释这些结构的变化，但清楚地了解氧化氧的性质仍然是一个难题的关键部分。

诸如共振非弹性X射线散射（RIXS）等技术在过去被成功地用于探测氧的变化。但通过与钻石光源I21光束线的最新研究人员合作，法拉第研究所的研究人员成功地解决了这些RIXS特征，这些特征表明大部分材料中的氧化氧物种是分子氧，而不是过氧化物或其他物种。

SaifulIslam教授说：“此外，计算模型已经证明，分子氧的演化既可以解释观察到的电化学反应（首次放电时电压的降低），也可以解释观察到的结构变化（分子氧在大部分材料中的调节作用）。”巴斯和卡特马特大学首席研究员这种将分子氧和电压损失联系在一起的单一统一模型使研究人员能够提出避免氧氧化还原诱导的不稳定性的实用策略，从而为实现更可逆的高能密度锂离子阴极提供潜在途径。

本文提出了六种不同新颖性的策略，这些策略都很有前途，CATMAT项目正在探索。新发展起来的机械理解将加速这些领域的研究，为迭代、试错方法提供一种替代方法。在一个新的研究方向中，研究人员正在研究一种独特的“超结构”的发展，这种结构可以控制过渡金属层中锂原子的有序性，从而提高结构的稳定性并减少电压损失。