由斯科尔特科技公司（Skoltech）的研究人员及其来自法国、美国和瑞士的同事组成的一个国际团队发现了锂离子电池在充放电循环中发生能量损失的原因，锂离子电池的阴极由复杂的富锂过渡金属氧化物制成。发表在《自然材料》（Nature Materials）上的这项新研究表明，导致低能效的充放电工作电压的差异是由于长期存在的受动力学阻碍的中间镍物种造成的。
快速增长的电动汽车行业需要具有更高能量密度的锂离子电池，以提供一次充电就能行驶更远的电动汽车。下一代牵引电池可以在先进阴极材料的基础上制造，例如富含锂的过渡金属复合氧化物，由于过渡金属（镍和钴）的阳离子和氧化还原反应中涉及的氧阴离子，这些材料保持着当前的比容量记录。然而，电压滞后鈥攖充放电电压差鈥攍eads减少了电池运行期间的能量损失，限制了实际应用。
“在锂离子电池充电过程中，带正电的锂离子离开其在阴极材料结构中的位置，然后在电池放电时重新沉积。为了使阴极材料保持电中性，它应该释放或吸收相同数量的电子。我们的研究表明，在很大程度上，电子束的运动障碍和能量屏障是由电子转移，而不仅仅是锂离子的迁移。Skoltech能源科学与技术中心（CEST）主任Artem Abakumov教授解释道：“金属阳离子和氧原子之间的电子转移可能特别缓慢，导致能量损失。”。
“为了捕捉这些长寿命的电子态，我们首先排除了其他可能的滞后原因，例如过渡金属阳离子迁移引起的阴极晶体结构的变化。这要归功于高分辨率透射电子显微镜鈥攏amely，先进成像核心设施的Titan Themis Z显微镜鈥攚e提供了确凿的证据，证明这种不可逆过程不会发生。Titan Themis Z拥有高达0.06纳米的空间分辨率，这意味着我们可以获得晶体结构的原子分辨率图像，”斯科特尔科技大学博士生Anatolii Morozov说。
“我们的显微镜本身就是一个材料科学实验室，能够用各种高局域性方法分析材料。在我们的研究中，我们不仅使用了结构图像，而且还对镍和钛阳离子以及不同电池充电状态下的氧阴离子的电子态进行了光谱分析。因此，我们发现这不是其他的斯科尔特科技公司的研究科学家奥尔加·埃梅利亚诺娃解释说：“n氧化镍阳离子形成了一种长寿命的电子状态，这一事实随后被其他光谱学方法所证实。”。
“我们的研究揭示了现代透射电子显微镜技术为研究具有高实用价值的材料提供的独特机会。了解当地的晶体和电子结构对于有针对性地开发具有独特功能的材料至关重要。开展此类研究的能力是斯科尔特的一项重要竞争优势。”高级成像核心设施负责人Yaroslava Shakhova补充道。
