防止电极迅速退化来提高电池性能

如果电动汽车要超越汽油发动机，那么电池必须得到改善。传统的锂离子电池，其相当重量的能量密度最高，只能充电至理论容量的50%左右。当研究人员试图将更多的锂离子装入电池的电极时，这并没有起到什么作用。在第一次放电/再充电循环之后，电极开始迅速退化，没有人能够弄清楚如何防止它。

现在有一个线索。研究人员结合使用理论计算机建模和先进的X射线方法，首次发现原子在被充电时原子重排的方式与电池原子和化学结构中电子的存储方式之间存在关系。这种见解应该为电池制造商提供一个构建富锂电极的蓝图，可以显着提高电池性能。

充分发挥其潜力的锂离子电池可以将当今电动汽车的使用范围提高三分之一甚至更高。例如，一辆装有该公司P100D电池组的特斯拉S型车可以在一次充电时行驶315英里（约500公里），最高达473英里。或者汽车制造商可以保持在315英里的范围内，但降低价格与天然气动力车辆没有退税竞争。

“梦想是制造一种价格实惠的大众市场电动汽车，其价格与汽油当量相同。然后，消费者开始从第一天开始节省燃气，所有人都会转而使用电力，“斯坦福大学化学系的博士生William Gent说, 他也是研究的第一作者，近日其研究成果发表在Nature Communications上。

Gent与斯坦福大学的研究员William Chueh教授以及来自Lawrence Berkeley国家实验室先进光源的研究人员一起工作。

从技术上说，传统的锂离子电池相当简单。它们有两个电极 - 带正电的阴极和带负电的阳极 - 它们之间有液体电解质。阴极由锂和过渡金属（即镍，锰或钴）层组成。

当电池充电时，锂离子从正极移动通过液体电解质，然后插入组成负极的材料中。过渡金属离子保持。电子也是如此，只是它们在通往负极的路上穿过电路。电池放电时，离子和电子以相反的方向行进。

“我们希望我们能够利用这种理解来更好地控制这些材料，使它们更实用。”

- 斯坦福大学William Gent

富含锂的电池用锂取代电极中的一些过渡金属。虽然额外的锂有可能提高阴极的容量30%至50%，但是会产生一些神秘的电压行为。例如，即使在低电流下，平均充电电压也高于平均放电电压。Gent表示，在一个完美的电池里，电压是相同的。

而且，在经历充电和放电循环之后，电压逐渐下降。Gent说，电子设备不能管理这种不稳定的电压行为，因为电路不能够动态地重新校准以处理这些变化。这就是为什么富锂电极如此不切实际。

在寻找解决方案时，以前的研究人员通常会研究在充电/放电循环过程中离子如何重新排列，或者电子如何储存在电池的原子和化学结构中。同时学习是非常困难的，因为它需要先进的分析技术才能获得最佳的图像，并且很多研究团队不能获得必要的设备。

Gent和他的同事们能够做到这一点。他们在两个设施中工作，每个设备都有非常明亮，高度敏感和精细调整的X射线源，以便开发关于原子重排如何影响电子在材料内储存方式的假设。他们在SLAC的斯坦福同步辐射光源中使用X射线衍射来探测阴极原子和化学结构在充电和放电时的变化。在劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源中，他们使用共振非弹性X射线散射来测量富锂材料的磁性和电子特性。

接下来，科学家们使用计算机模型来测试他们的假设。他们证实，当富含锂的阴极被充电时，常规电池中通常保留的过渡金属离子移动。他们发现这种重排大大地影响了电子存储在阴极的电压。如果离子在放电期间返回到原来的位置，这将不会那么糟糕。但是很少。而且每次电池充放电，离子移动一点点，造成原子结构的紊乱，造成奇怪的电压行为。

Gent说：“我们希望能够利用这种理解来更好地控制这些材料，使它们更实用。

他和他的同事已经开始测试不同的方法来解决这个问题。一个想法是防止过渡金属离子迁移。另一种方法是设计结构，使迁移离子更容易返回到原来的位置。