随着对智能手机，电动汽车和可再生能源的需求持续上升，科学家们正在寻求改进锂离子电池的方法-锂离子电池是家用电子产品中最常见的电池类型，也是电网规模储能的有前途的解决方案。提高锂离子电池的能量密度可以促进使用长效电池的先进技术的发展，以及风能和太阳能的广泛使用。现在，研究人员在实现这一目标方面取得了重大进展。
由马里兰大学（UMD），美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和美国陆军研究实验室的科学家领导的一项合作开发和研究了一种新的阴极材料，其能够使锂离子的能量密度增加三倍电池电极。他们的研究于6月13日在NatureCommunications上发表。
“锂离子电池包括一个阳极和一个阴极，”UMD的科学家，该论文的主要作者之一，修秀芬说。“与用于锂离子电池的商用石墨阳极的大容量相比，阴极的容量受限得多，阴极材料一直是进一步提高锂离子电池能量密度的瓶颈。”
UMD的科学家们合成了一种新的阴极材料，这种材料是一种经过改造和设计的三氟化铁（FeF3），由具有成本效益和环境友好的元素-铁和氟组成。研究人员一直对锂离子电池中使用FeF3等化合物感兴趣，因为它们具有比传统阴极材料更高的容量。
“通常用于锂离子电池的材料是基于插层化学的，”布鲁克黑文的化学家EnneHu说，也是该论文的主要作者之一。“这种类型的化学反应非常有效，但是它只转移一个电子，所以阴极的容量是有限的。一些化合物如FeF3能够通过更复杂的反应机制转移多个电子，称为转换反应。”
尽管FeF3具有增加阴极容量的潜力，但由于其转化反应的三个并发症，该化合物在锂离子电池中的历史效果并不理想：能量效率差（滞后现象），反应速度慢以及可能导致循环寿命差的副反应。为了克服这些挑战，科学家通过称为化学取代的过程将钴和氧原子添加到FeF3纳米棒中。这使得科学家们可以操纵反应路径并使其更“可逆”。
该论文的合着者，布鲁克海文功能性纳米材料中心（CFN）科学家SooyeonHwang说：“当锂离子插入FeF3时，材料转化为铁和氟化锂。“然而，反应并不完全可逆，用钴和氧代替后，阴极材料的主要骨架保持得更好，反应变得更加可逆。”
为了研究反应途径，科学家们在CFN和国家同步辐射光源II（NSLS-II）-两个DOE位于Brookhaven的科学用户设施办公室进行了多次实验。
首先在CFN，研究人员使用强大的电子束以0.1纳米的分辨率观察FeF3纳米棒-一种称为透射电子显微镜（TEM）的技术。TEM实验使研究人员能够确定阴极结构中纳米颗粒的确切大小，并分析充放电过程不同阶段结构如何变化。他们看到了取代纳米棒的更快的反应速度。
“透射电镜是一种非常有用的工具，可以在非常小的尺度上表征材料，并且它还能够实时研究反应过程，”CFN的科学家，该研究的共同通讯作者DongSu说。“但是，我们只能通过透射电子显微镜看到非常有限的样品区域，我们需要依靠NSLS-II的同步加速技术来了解整个电池的功能。”
在NSLS-II的X射线粉末衍射（XPD）光束线中，科学家们指导通过阴极材料的超高亮度X射线。通过分析光线如何散射，科学家们可以“看到”关于材料结构的额外信息。
“在XPD，我们进行了配对分布函数（PDF）测量，它们能够检测大量的本地铁排序，”该论文的合着者和NSLS-II的科学家白建明说。“放电阴极的PDF分析清楚地表明化学取代促进了电化学可逆性。”
在CFN和NSLS-II上结合高度成像和显微技术是评估阴极材料功能的关键步骤。
“我们还根据密度泛函理论进行了先进的计算方法，以破译原子尺度的反应机制，”UMD的科学家，本文的共同作者XiaoJi说。“这种方法表明，化学替代将反应转变为高度可逆的状态，通过减少铁的粒径和稳定岩盐相。”UMD的科学家表示，这一研究策略可以应用于其他高能量转换材料，未来的研究可能会使用该方法来改进其他电池系统。
