随着对智能手机，电动汽车和可再生能源的需求持续增长，研究人员正在寻找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，也是存储电网规模能源的潜在方式。布鲁克海文国家实验室的一个科学家小组已经找到了一种提高锂离子电池能量密度的方法，这可以使电池更耐用，并扩大风能和太阳能的使用。该团队研发出一种能够使锂离子电池电极能量密度增加三倍的阴极材料。
“锂离子电池由阳极和阴极组成，”该团队的首席科学家秀林秀说。“阴极材料一直是进一步提高锂离子电池能量密度的瓶颈。”
该团队合成了一种新的阴极材料，一种改性形式的三氟化铁（FeF3），由铁和氟组成，价格低廉且环境友好，已知其本身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基于插层化学，虽然有效，但它只传输单个电子，从而限制了阴极。然而，诸如FeF3的化合物可以通过称为转化反应的更复杂的反应机理转移几个电子。
尽管FeF3具有增加阴极容量的潜力，但该化合物在过去由于其转化反应的三个并发症而在锂离子电池中效果不佳：能效差（滞后），反应速度慢，以及副反应可以降低其骑行寿命。为了克服这些挑战，科学家们通过称为化学替代的过程将钴和氧原子添加到FeF3纳米棒中。这让科学家们操纵反应途径，使其更具“可逆性”。
用氧和钴代替阴极材料可防止锂破坏化学键并保留材料的结构。当锂离子插入FeF3时，该材料转化为铁和氟化锂。但是，反应不是完全可逆的。但是，在用钴和氧取代后，反应变得更加可逆。
为了研究反应途径，科学家们进行了几项实验。首先，他们使用强大的电子束和称为透射电子显微镜（TEM）的技术，以0．1纳米的分辨率观察FeF3纳米棒。这让研究人员确定阴极中纳米颗粒的确切尺寸，并分析阴极在充放电过程的不同阶段如何变化。他们在替代纳米棒中看到了更快的反应。
“TEM是一种用于表征非常小长度材料的强大工具，它还可以实时研究反应过程，”该团队的科学家董苏说。“但是，我们只能使用TEM看到样品的有限区域。我们需要同步加速器技术来了解整个电池的功能。“因此，该团队通过阴极材料发送了超亮X射线。通过分析光散射的方式，团队可以发现有关材料结构的其他信息。进一步的分析表明，该团队的化学替代促进了电化学的可逆性。
研究人员还进行了基于密度泛函理论的先进计算方法，以破解原子尺度的反应机制。这表明化学取代通过减小铁的粒径和稳定岩盐相而将反应转变为高度可逆的状态。该研究策略可应用于其他高能转换材料并改进其他类型的电池。
