據(jù)外媒報道，牛津大學(xué)、亨利·羅伊斯和法拉第學(xué)院（Henry Royce and Faraday Institutions）以及英國的國家同步加速器鉆石光源(Diamond Light Source)的研究人員利用“鉆石光源”的共振非彈性X射線散射（RIXS），識別重要電池材料富鋰NMC中氧化氧（oxidized oxygen）的性質(zhì)。與當(dāng)前最先進(jìn)的材料相比，這種材料可以提供更高的能量密度，延長電動汽續(xù)航里程，因此，被廣泛認(rèn)為可以應(yīng)用于下一代鋰離子電池。研究人員希望，科學(xué)家們可以利用他們的研究結(jié)果，解決與富鋰材料有關(guān)的電池壽命和電壓衰減等問題。
鉆石光源I21 RIXS（軟X線 RIXS光束線）首席光束科學(xué)家Kejin Zhou表示：“我們的工作主要是了解神秘的首次循環(huán)電壓滯后現(xiàn)象，在該過程中氧化還原過程無法完全恢復(fù)，導(dǎo)致電壓損失，能量密度降低。”
此前，該研究小組項曾研究過這一過程。據(jù)報道,在鈉離子電池正極中，電壓滯后現(xiàn)象的發(fā)生，是由于充電過程中過渡金屬離子遷移，使所形成的氧氣分子被困在粒子里。Zhou表示：“目前，我們的研究集中在富鋰材料Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2上。跟以前一樣，關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)顯示，材料內(nèi)部會形成游離的氧氣分子，這在之前沒有得到重視。這一發(fā)現(xiàn)非常重要，因為該材料具有較高的TM-O共價，曾被認(rèn)為可以抑制氧氣分子的形成。我相信，對于未來的電池正極設(shè)計，我們的工作將產(chǎn)生重大影響，使不穩(wěn)定的蜂窩結(jié)構(gòu)最小化。談到解決富鋰NMC材料存在的其它問題，比如電壓衰減，此次研究也具有重要意義，這些問題會阻礙其商業(yè)化，影響發(fā)現(xiàn)可以更加可逆化利用O-氧化還原過程的新材料。
能夠提高鋰離子電池能量密度的材料為數(shù)不多，富鋰正極材料是其中之一。在這些結(jié)構(gòu)中，幾乎所有的鋰都可以被移除，首先通過過渡金屬(TM)離子氧化來補(bǔ)償，然后是氧離子。然而，充電時O-氧化還原過程涉及到的高電壓，在放電時不能恢復(fù)，導(dǎo)致產(chǎn)生所謂的電壓滯后，能量密度顯著降低。這是阻礙開發(fā)材料全部潛能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一，并且對該現(xiàn)象的理解仍然不完整。
主要研究人員、牛津大學(xué)材料系的Rob House博士表示：“在我們的研究中，我們使用了鉆石光源I21光束線的HR RIXS（高分辨率共振非彈性X射線散射光譜儀）研究O-氧化還原過程。這是材料存儲氧離子電荷的方式，而氧離子是其結(jié)構(gòu)的一部分。然而，研究人員很難完全理解這一過程。這種材料在首次充電時會發(fā)生復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓滯后，而氧離子存儲能量的機(jī)制尚不清楚。”
“通過獲得的數(shù)據(jù)，我們能夠識別之前被RIXS技術(shù)探測到但無法完全辨別的神秘光譜特征。我們能夠分解由氧氣分子振動產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)，所以能識別在這一重要類別的電池材料中獲得的RIXS特征。這些氧氣分子被困在正極材料主體中，在放電過程中，可以以較低的電壓（低于初始充電電壓）重新轉(zhuǎn)化為氧離子。這為解釋O-氧化還原過程提供一種新機(jī)制，也代表了開發(fā)電池材料的重要一步。”