是什么决定了电池的循环寿命？更重要的是，我们怎样才能延长电池的循环寿命？由代尔夫特理工大学领导的一个国际研究小组发现，氧化物阴极材料中的局部无序会增加锂离子电池的充放电次数。他们的研究成果已发表在《自然》杂志上。
不稳定的电极
充电电池是能源转型的关键要素，尤其是在可再生能源越来越多的今天。在多种可充电电池中，锂离子电池是功能最强大、应用最广泛的电池之一。为了使其电气连接，通常使用层状氧化物作为电极。然而，当电池充电时，它们的原子结构会变得不稳定。这最终会影响电池的循环寿命。
局部失调
为了解决这个问题，代尔夫特理工大学的"电化学能量存储"小组与国际研究人员合作。论文的第一作者是王启迪，他介绍说："用作锂离子电池阴极材料的层状氧化物是整齐有序的。我们进行了一项结构设计研究，通过改进合成方法在这种材料中引入化学短程无序。因此，它在电池使用过程中变得更加稳定"。
有序的层状结构是锂（Li）离子阴极的重要组成部分。然而，在充电过程中，本质上脆弱的缺锂框架很容易受到晶格应变、结构和/或化学机械退化的影响，导致容量迅速下降，从而缩短电池寿命。在此，研究人员报告了一种通过在氧化物阴极中整合化学短程无序（CSRD）来解决这些问题的方法，它涉及晶格中元素在空间维度上的局部分布，跨越几个最近邻间距。这是在结构化学基本原理的指导下，通过改进的陶瓷合成工艺实现的。
为了证明其可行性，研究人员展示了 CSRD 的引入如何对层状氧化锂钴阴极的晶体结构产生重大影响。这表现在过渡金属环境及其与氧气的相互作用上，有效防止了锂去除过程中晶体板的有害滑动和结构退化。同时，它还会影响电子结构，从而提高电子导电性。
这些特性对锂离子存储能力大有裨益，可显著提高循环寿命和速率能力。此外他们还发现 CSRD 可以通过改进化学共掺杂的方式引入到其他层状氧化物材料中，这进一步说明了 CSRD 在增强结构和电化学稳定性方面的潜力。这些发现为氧化物阴极的设计开辟了新的途径，帮助深入了解了 CSRD 对先进功能材料晶体和电子结构的影响。
经过 200 次充电/放电循环后，结构稳定性的提高几乎使电池的容量保持率翻了一番。图片来源：Roy Borghouts Fotografie
循环寿命更长，充电时间更短
结构稳定性的提高使电池在 200 次充电/放电循环后的容量保持率几乎翻了一番。此外，这种化学短程无序增加了电极中的电荷转移，从而缩短了充电时间。研究小组对锂钴氧化物（LiCoO2）和锂镍锰钴氧化物（NMC811）等成熟的商用阴极展示了这些优势。
关键材料
这些成果可能会催生新一代锂离子电池，其制造成本更低，寿命期间单位能量储存的二氧化碳排放量更小。研究小组下一步将研究是否可以利用同样的材料设计原理，用不太稀缺的原材料制造阴极。论文的资深作者马尼克斯-瓦格马克（Marnix Wagemaker）说："钴和镍都是所谓的能源技术关键材料，减少电池中这些材料的使用将是一件好事。"
编译来源：ScitechDaily