隨著對智能手機，電動汽車和可再生能源的需求不斷增長，科學家們正在尋求改進鋰離子電池的方法。鋰離子電池是家用電子產品中最常見的電池類型，也是電網規模儲能的有發展前景的解決方案。提高鋰離子電池的能量密度可以促進長效電池先進技術的發展，以及促進風能和太陽能的廣泛使用。現在，研究人員在實現這一目標方面取得了重大進展。
由馬里蘭大學（UMD），美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室，美國陸軍研究實驗室的科學家領導的科研小組，合作開發並研究了一種能使鋰離子電池電極能量密度提高3倍的新型陰極材料。他們的研究於6月13日在“Nature Communications”雜誌上發表。
“鋰離子電池包括一個陽極和一個陰極，”UMD的科學家，該論文的主要作者之一，Xiulin Fan說。“與用於鋰離子電池的商用石墨陽極的大容量相比，陰極的容量受限得多，陰極（即正極）材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”
UMD的科學家們合成了一種新的陰極材料，這種材料是一種經過改造和設計的三氟化鐵（FeF3），由具有成本效益和環境友好的元素：鐵和氟組成。研究人員一直對鋰離子電池中使用FeF3等化合物感興趣，因為它們具有比傳統陰極材料更高的容量。
“通常用於鋰離子電池的材料是基於插層化學的，”布魯克海文的化學家，該論文的主要作者之一Enne Hu說。“這種類型的化學反應非常有效，但是它只轉移一個電子，所以陰極的容量是有限的。一些化合物如FeF3能夠通過一種更復雜的反應機制，（即轉化反應）轉移多個電子。”
圖中所示為布魯克海文實驗室功能納米材料中心的科學家。圖為從左至右依次為：（上排）Jianming Bai, Seongmin Bak, 和Sooyeon Hwang；(下排) Dong Su 和 Enyuan Hu.
儘管FeF3具有提高陰極容量的潛力，但由於其轉化反應的三大複雜因素，化合物在鋰離子電池中一直沒有很好地發揮作用：能量效率差（滯後），反應速度慢，而且副反應可能會導致電池循環壽命差。為了克服這些挑戰，科學家通過化學取代的方法將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這使得科學家們可以操縱反應路徑並使其更“可逆”。
“當鋰離子嵌入到FeF3中時，該材料被轉化成鐵和氟化鋰，”這篇論文的合著者、布魯克海文功能納米材料中心（CNF）的科學家 Sooyeon Hwang Sooyeon說。“然而，這種反應並不是完全可逆的，用鈷和氧代替後，陰極材料的主要骨架保持得更好，反應變得更加可逆。”
為了研究反應路徑，科學家們在CFN和國家同步輻射光源II（NSLS-II）——兩個美國能源部布魯克海文科學用戶設施辦公室進行了多次實驗。
首先在CFN，研究人員使用強大的電子束以0.1nm的分辨率觀察FeF3納米棒（即TEM透射電子顯微鏡技術）。TEM實驗使研究人員能夠確定陰極結構中納米顆粒的確切尺寸，並分析在充放電過程中不同相之間納米粒子的結構變化。他們看到了用鈷和氧取代的納米棒的反應速度更快。
“透射電鏡是一種非常有用的工具，可以在非常小的尺度上表徵材料，並且它還能夠實時研究反應過程，”CFN的科學家，該研究的共同通訊作者Dong Su說。“但是，我們只能通過透射電子顯微鏡看到非常有限的樣品區域，我們需要依靠NSLS-II的同步加速技術來了解整個電池的功能。”
圖片顯示：馬里蘭大學科研團 隊隊員。從左至右依次為：Xiulin Fan, Xiao Ji, Fudong Han, 和 Zhaohui Ma.
在NSLS-II的X射線粉末衍射（XPD）光束線中，科學家們用超高亮度的X射線穿過陰極材料。通過分析光線散射的方式，科學家們可以“看到”關於材料結構的附加信息。
“在XPD中，我們進行了配對分佈函數（PDF）測量，它們能夠檢測大量的局部鐵排序，”該論文的合著者和NSLS-II的科學家Jianming Bai說。“對放電陰極的PDF分析清楚地表明化學取代促進了電化學可逆性。”
在CFN和NSLS-II上結合高度成像和顯微技術是評估陰極材料功能的關鍵步驟。
“我們還採用了基於密度泛函理論的先進計算方法來解釋原子尺度下的反應機理，”UMD的科學家，本文的共同作者Xiao Ji說。“這種方法表明，化學替代通過減少鐵的粒徑和穩定岩鹽相，將反應轉變為高度可逆的狀態。”UMD的科學家表示，這一研究策略可以應用於其他高能量轉換材料中，未來的研究可能會使用這一方法來改進其他電池系統。
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