大幅提升电池容量依靠阴离子氧化还原？最新研究表明这想法靠谱
以锂离子电池为代表的新型二次电池如今已经进入到每个人的生活中，从电子产品到蓬勃发展的电动汽车、储能电站，人们迫切希望电池能具有更高的容量、更长的寿命和更低的成本。最近，中美科学家合作开展的一项研究在影响高容量锂/钠离子电池正极材料循环寿命的关键问题上取得了重要的理论突破。12月12日，该研究成果在Cell Press细胞出版社旗下能源旗舰期刊Joule（《焦耳》）上发表。
在锂离子电池和新兴的钠离子电池的主要组成部分中，以过渡金属氧化物为主的正极材料是提高能源密度的主要制约因素。因此，如何提高正极材料的容量是当今科学界、产业界和全社会共同关注的焦点。
在电池充放电过程中，随着电流的发生，电池内部也在发生得失电子的氧化还原反应。这些反应是影响电池容量的关键。传统的正极材料，只有金属离子发生这样的反应。近些年的研究则发现，设计新的材料，激活其中的氧元素使其发生化学反应，可以额外获得一倍以上的容量，从而有望大幅提高电池能量密度。
但是这种新的化学反应上空还漂浮着一朵致命的“乌云”，这就是反应的可逆性。反应必须高度可逆，电池才能在大幅提高容量的同时拥有长寿命。此前，科研界的一些观点认为只有昂贵的钌、铱等元素氧化物才可以实现氧的可逆反应，这就必然大幅度提高电池成本。还有些观点认为氧反应从根本上难以实现可逆，所以应该抑制它来提高正极材料循环寿命。因此，对低造价（不含四五周期金属元素）过渡金属氧化物中晶格氧的氧化还原反应可逆性的确切、可靠、定量的分析，就成为当下至关重要的焦点问题。
东北大学冶金学院代克化副教授与美国劳伦斯伯克利国家实验室杨万里研究员、刘杲研究员等来自十几位科研机构的研究人员合作对上述问题展开研究。他们发现，以廉价的锰为主的复合金属氧化物就可以实现高度可逆的氧反应，从而获得高容量。利用同步辐射光源产生的超高强度X光，研究团队开发了一种新型的光谱技术，首次实现了对材料内部氧化还原反应的直接、可靠、高精度定量观测，分别在锂离子和钠离子电池材料中证实了上述结论。
研究人员采用世界首个超高效率共振非弹性X射线散射全谱图(mRIXS)实现了晶格氧反应可逆性和循环保持率的可靠定量，以及对于体相金属阳离子反应的直接定量分析。研究通过可靠的定量表征，澄清了之前对第三周期过渡金属氧化物（3d TM-O）中晶格氧反应可逆性的模糊认识，表明在廉价的3d TM-O中实现高度可逆且稳定循环的晶格氧反应是可行的。
虽然基于新的化学反应的材料到实用化还有一段距离，但这项研究的结论和新的探测技术为该领域的探索开辟了新思路，也为人们进一步开发高容量、长寿命的新型二次电池正极材料提供了方向性理论依据。
作者简介
代克化
2008年7月毕业于北京大学化学与分子工程学院，先后获理学学士、博士学位；2008年至今任东北大学冶金学院副教授；2013年1月至2014年6月和2016年9月至2018年9月在美国劳伦斯伯克利国家实验室进行访问研究。主要研究领域为锂离子和钠离子电池正负极材料，同步辐射X射线谱学。先后在能源、材料及电化学领域的顶级刊物如Joule、Energy & Environmental Science、JACS、Nano Energy等期刊上发表多篇文章。
刘杲
本科毕业于北京大学技术物理系，获理学学士学位；研究生毕业于密歇根州立大学，获理学博士学位。现为美国劳伦斯伯克利国家实验室终身研究员，跨PI的应用能源材料研究团队负责人，领导美国能源部多项研究计划。研究领域包括锂离子和钠离子电池正负极材料和导电粘结剂、锂硫电池、全固态电池、仿生材料等。获得包括美国能源部R&D100大奖在内的多项奖励。在Joule、Advanced Materials、JACS、Natural Communications、Nano Energy等期刊发表多篇论文，总引用次数超过11000次。
杨万里
美国劳伦斯伯克利国家实验室终身研究员。主要研究方向为材料物理学、软X射线谱学和能源材料。近些年致力于为电池材料研究引入软X射线光谱的新技术与正确解释。发展了基于软X射线对电极中过渡金属氧化态的精确定量方法，实现了超高效率共振非弹性散射谱作为能源材料研究的有效手段，克服众多技术难题及澄清领域内对于软X射线光谱的若干误解，其研究结果多方面证明软X射线在表征电池材料的表面与体相性质上的独特优势，并且不断推进软X射线光谱在能源材料研究中实验技术与分析方法的发展。
相关论文信息：
原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊 Joule（《焦耳》）。Joule（《焦耳》）创刊于2017年，是Cell Press细胞出版社的能源旗舰期刊，主要发表全球能源领域前沿的科学研究成果。点击“阅读原文”查看论文全文。
论文标题：
High Reversibility of Lattice Oxygen Redox Quantified by Direct Bulk Probes of both Anionic and Cationic Redox Reactions
论文网址：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30563-4
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.11.014
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