康奈尔大学的研究人员发现了限制钠离子电池耐用性的长期问题的根源，为制造商提供了为21世纪供电的新策略。钠离子电池对于电动汽车、能源网和其他应用来说是一项很有前景的技术，因为它们由丰富的材料制成，这些材料能量密集、不易燃并且在较低温度下运行良好。但是工程师们还没有完善这种化学反应。虽然现代电子产品中的锂离子电池可以充电数千次，但大多数钠离子电池只能循环其中的一小部分。

耐久性差源于电池运行过程中的特定原子重组——P2-O2相变——因为离子穿过电池无序晶体结构并最终破坏它们。虽然研究人员对相变很感兴趣，但其背后的机制一直难以研究，尤其是在电池运行期间。

该机制的关键方面已由材料科学与工程助理教授安德烈辛格实验室的康奈尔大学团队揭示，并于2月1日发表在《先进能源材料》杂志上。博士生JasonHuang为第一作者。

研究小组发现，随着钠离子在电池中移动，单个颗粒内的晶体层的错误取向会增加，然后这些层在P2-O2相变之前突然对齐。

“我们发现了一种新的关键机制，”辛格说。“在电池充电期间，原子突然重新排列并促进了有缺陷的相变。”

该团队在使用康奈尔高能同步加速器源开发了一种新的X射线成像技术后能够观察到这一现象，这使他们能够实时和大规模地观察电池样本中单个粒子的行为。

“意外的原子排列在传统的粉末X射线衍射测量中是不可见的，因为它需要看到单个阴极纳米粒子的内部，”辛格说。“我们前所未有的高通量数据使我们能够揭示微妙但关键的机制。”

这一发现促使团队为他们正在使用的钠离子电池类型提出了新的设计方案，他们计划在未来的研究项目中进行调查。黄说，一种解决方案是修改电池化学成分，在有缺陷的过渡阶段之前给粒子引入一种战略性无序。

“通过改变我们的过渡金属的比例，在这种情况下，镍和锰，”黄说，“我们可以引入一些无序，并可能降低我们观察到的有序效应。”

黄说，新的表征技术可用于揭示其他纳米粒子系统中的复杂相行为，但其最佳应用可能仍留在下一代储能技术中。

“我们正在推动钠离子电池的前沿以及我们对它们的了解，”黄说，“利用这些知识设计更好的电池将有助于解锁未来实际应用的技术。”