科學(xué)博物館展出的鉆石和水晶令人賞心悅目，其幾何形狀和顏色令人炫目，原因在于此類物體的原子排列極其有序。對于電池電極中的晶體材料而言，微觀結(jié)構(gòu)的有序排列對于電池充放電過程中，電極內(nèi)的離子傳輸具有實際意義。
據(jù)外媒報道，美國能源部阿貢國家實驗室（the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory）打造并測試了一種單晶電極，有望為全球的電動汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品和其他應(yīng)用研發(fā)先進(jìn)電池。美國西北大學(xué)（Northwestern University）和芝加哥伊利諾伊大學(xué)（the University of Illinois）的研究人員也參與了該項目。
先進(jìn)電池中的電極材料是“多晶”材料，因而具有多個方向不同的晶體區(qū)域。由于多晶電極的制造相對簡單，過去科學(xué)家們一直將電池研究的重點放在如何對此類材料進(jìn)行實驗，因為此類材料雖然結(jié)構(gòu)有序，但是充滿了各種各樣的缺陷，往往會影響到電池性能。
該研究團(tuán)隊選擇了正處于研發(fā)中的鈉離子電池（與現(xiàn)有的鋰離子電池形成競爭）作為模型系統(tǒng)，以研究單晶陰極。此類電池具有吸引力的主要原因在于，鈉元素比鋰離子電池中的鋰儲量要豐富得多。
該團(tuán)隊制備了鈉-氧化銥（Na2IrO3）單晶體，并將其作為小型測試電池的陰極材料。為了對比，研究人員還測試了具備多晶陰極材料的類似電池。利用阿貢實驗室的科學(xué)設(shè)備，特別是DOE科學(xué)用戶設(shè)備辦公室的先進(jìn)光子源（Advanced Photon Source，APS），研究人員確定電池處于不同充放電狀態(tài)時，晶體結(jié)構(gòu)中每個原子的確切位置。
研究人員對測試電池充放電循環(huán)過程中陰極的化學(xué)性做了大量研究，特別是，該團(tuán)隊調(diào)查了超過NaIrO3端點結(jié)構(gòu)預(yù)期額外容量的來源。研究人員表示：“利用我們的單晶體，我們能夠?qū)⒈砻嫘?yīng)與體效應(yīng)區(qū)分開來，而在早期的多晶材料研究中此種區(qū)分并不明顯。”該團(tuán)隊證明，額外的容量來自于表面效應(yīng)，而不是之前認(rèn)為的體效應(yīng)。
改進(jìn)電池設(shè)計的重要步驟就是了解電池充放電循環(huán)中，材料如何以及為什么發(fā)生變化。根據(jù)測試結(jié)果，該團(tuán)隊確定了在充電過程中會形成三個不同相的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其中兩個是原先并不知道的。此外，還發(fā)現(xiàn)電池容量隨著充放電循環(huán)而減弱，這是因為充電時形成了一個新型有害相，在放電時，該有害相還一直存在，并隨著循環(huán)次數(shù)增加而增大。
獲得了上述成果，未來的電池研究人員將能夠設(shè)定新型電池設(shè)計規(guī)則，合成新型、得到改進(jìn)、具備所需功能的多晶材料。