美国能源部阿贡国家实验室的科学家们创造并测试了一种单晶电极，有望为世界范围内正在开发的电动汽车、消费电子产品和其他应用的先进电池带来重大发现。美国西北大学和伊利诺斯大学芝加哥分校的研究人员参与了该项目的合作。
先进电池中的电极材料是“多晶的”，这意味着它们有许多不同方向的晶体区域。由于多晶电极的制造相对简单，科学家们过去的电池研究主要集中在用这些材料进行实验，这些材料在有序结构中有各种各样的缺陷，这些缺陷常常会影响电池的性能。
“我们认识到，单晶可以在确定新方法方面发挥重要作用，从而在原子和分子水平上理解控制多晶电极电池充放电过程的化学过程，”阿贡国家实验室材料科学部门的助理科学家Sanja Tepavcevic指出。
作为研究其单晶阴极的模型系统，该团队选择了正在开发的钠离子电池来与现有的锂离子电池竞争。
研究小组制备了钠－氧化铱单晶（Na2IrO3），并将其作为阴极材料用于小型测试电池中。为了进行比较，他们还用多晶阴极测试了类似的电池。通过利用阿贡的科学设施，尤其是先进光子源，他们可以确定晶体结构中每个原子的精确位置，以满足不同的电池充放电状态。
Tepavcevic说：“如果没有先进光子源非凡的材料特性资源，这个项目是不可能完成的。我们也极大地受益于团队成员Jennifer Hong Zheng的专业知识，她具有世界级的能力，能够将单晶生长到精确的规格。”
研究团队对试验电池充放电循环过程中的阴极化学进行了深入的研究。特别是，研究小组调查了NaIrO 3端点结构超出预期的额外容量的起源。Tepavcevic说：“使用我们的单晶，我们可以将表面效应与本体效应分开，这在早期的多晶材料研究中是不明显的。” 研究小组证明，额外的容量来自表面反应，而不是先前认为的大部分材料。
对于改进电池设计而言，重要的是要知道在循环过程中如何以及为什么会发生材料变化。通过测试结果，研究小组确定了在充电过程中形成的三个不同相的化学结构，其中两个以前是未知的。他们还发现，由于在充电时形成了新的有害相，因此电池容量随循环而减弱，这种有害相在放电过程中持续存在，并且随着循环次数的增加而增大。
“我们通过单晶电极了解到的钠离子电池比我们在项目开始时预想的要多，”材料科学部门的杰出研究员John Mitchell说。“很明显，单晶打开了一扇窗，让我们更好地了解控制所有电池类型的能量储存和释放的化学和电子转换，以及它们在循环过程中的降解机制。”有了这些知识，未来的电池研究人员将能够为合成新的和改进的具有所需功能的多晶材料制定设计规则。
