激發氧活力，增強電池動力

材料牛注：加州大學圣地亞哥分校和中國科學院合作，發現了一種新方法，用于提高富鋰陰極材料的穩定性和儲能能力。該方法通過采用二氧化碳氣體混合物，在材料表面制造氧空位，大大提高了陰極材料的能量密度。

目前，一項研究表明，通過改變富鋰陰極材料的氧組成可以提高電池的性能，特別是在高能量電池應用領域，例如電動汽車。這項研究成果于7月1日發表于Nature Communications。

Shirley Meng是加州大學圣地亞哥分校納米工程學的教授，同時也是這項研究的主要參與者。Meng說：“在這類富鋰陰極材料中，我們已經發現了一種新的機制。隨著這項研究的不斷進行，我們希望可以獨辟蹊徑，發現更多可以控制氧活性的電池材料”。

Meng擔任加州圣地亞哥分校能量儲存與轉換實驗室（LESC）和可持續能源中心（SPEC）的主任。她所在團隊的科研方向在于探索隱藏在電池材料背后的科學，研究水平已經延伸到單原子和分子以及其界面處。該研究團隊獨具慧眼，首先專注于電池材料氧原子活性的研究，通常情況下以鋰和過渡金屬原子為主。Meng說：“目前我們的研究表明，氧氣對電池的性能具有重要作用”。

在這項研究中，Meng領導的團隊和中國科學院的相關科研人員合作，開發了一種新方法，在一種富鋰層狀氧化物的陰極材料中引入氧空位。這種材料在電池研究領域越來越受歡迎，因為和其它陰極材料相比，它們可以儲存更多能量。

然而，富鋰陰極材料也有缺點，包括緩慢的放電率和電壓衰減問題，也就是說，在每個充放電周期，電池電壓會下降。Meng說：“我們正在研究一種新方法，通過探索和控制氧氣在陰極材料中的行為，來減輕困擾富鋰陰極材料的問題”。

研究人員發現，用基于二氧化碳的氣體混合物處理富鋰陰極顆粒，可以在顆粒表面形成均勻的氧空位。這種處理方法只在表面10~20nm處留下氧空位，并不會改變材料原子結構的其余部分。

Minghao Zhang是加州大學圣地亞哥分校雅可布斯工程學院的一名博士，參與了Meng的研究工作，并且是論文的共同第一作者。Zhang說道：“這種處理方法比較溫和，使得我們可以在界面處對材料的變化進行控制。”。在電化學測試中，經過100次充放電循環，處理后的材料具有相對較高的放電能力（每克300毫安時），并且電壓損失極小。

Meng說：“這種方法對于電壓衰減問題有明顯的改善作用，但是要完全解決這一問題，還有很多工作要做”。

通過與布魯克海文國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室合作的特性研究中，針對氧空位提高陰極材料的性能，研究人員提出了幾點原因。首先，空位使鋰離子更容易在整個陰極移動，產生高的放電能力和和更快的放電率。其次，空位通過抑制高活性氧化自由基在陰極材料表面的形成，也可以增加材料的穩定性。這可能意味著更長的電池壽命，因為通常情況下，在電池工作過程中，高活性氧化自由基會降解電解質。Zhang說：“就可控性而言，我們利用氧活性來提高材料的性能，進而更好地控制其在電池內部的運作”。

科研人員并未止步于此。下一步，研究人員將在處理方法上進行更深刻的研究。他們還會對其它材料中的氧活性做進一步研究，探究其如何提高電池的性能。

Meng說：“這種處理方法在電池領域是否具有前景，我們不得而知。在此之前，我們需要探討我們的技術是否能夠提高電池性能，這種提高不只是單一的參數，而是多個指標。我們需要把提高電池性能想象成擴展多個變量的蜘蛛網絡”。

原文鏈接：Performance of cathode material improved by controlling oxygen activity。

文獻鏈接：Gas–solid interfacial modification of oxygen activity in layered oxide cathodes for lithium-ion batteries。

本文由編輯部楊洪期提供素材，劉純編譯，萬鑫浩審核。

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