余博士实验室的电池测试系统，用于开发先进的电极材料。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校
多年来，研究人员一直致力于了解更多关于一组金属氧化物的信息，这些金属氧化物有望成为下一代锂离子电池的关键材料，因为它们具有神秘的能力，可以储存比应该储存的多得多的能量。由得克萨斯大学奥斯汀分校共同领导的一个国际研究小组破解了这一科学异常的密码，打破了建造超快电池储能系统的障碍。
研究小组发现，这些金属氧化物具有超越经典电化学存储机制的独特储能方式。这项发表在《自然材料》杂志上的研究发现，与当今商用锂离子电池中常见的材料相比，几种类型的金属化合物的储能能力高达三倍。
通过解开这个谜团，研究人员正在帮助解锁具有更大能量容量的电池。这可能意味着更小、更强大的电池能够快速为从智能手机到电动汽车的所有产品充电。
沃克大学副教授余桂华说：“近二十年来，研究界一直对这些材料超出理论极限的异常高的能力感到困惑。”
科克雷尔工程学院机械工程系，也是该项目的领导者之一。“这项工作展示了第一个实验证据，表明额外的电荷是通过空间电荷存储机制物理存储在这些材料内部的。”
余博士实验室的电池测试系统，用于开发先进的电极材料。资料来源：德克萨斯大学奥斯汀分校
为了证明这一现象，该团队找到了一种监测和测量元素如何随时间变化的方法。来自UT、麻省理工学院、加拿大滑铁卢大学、中国山东大学、中国青岛大学和中国科学院的研究人员参与了该项目。
这一发现的核心是过渡金属氧化物，这是一种包括与铁、镍和锌等过渡金属结合的氧的化合物。能量可以储存在金属氧化物内部，而不是锂离子进出这些材料或转换其晶体结构进行能量储存的典型方法。研究人员表明，在一系列常规电化学过程中形成的铁纳米颗粒表面也可以储存额外的电荷容量。
根据这项研究，广泛的过渡金属可以释放这种额外的能力，它们有一个共同的线索——收集高密度电子的能力。Yu说，这些材料还没有准备好进入黄金时段，主要是因为缺乏相关知识。但研究人员表示，这些新发现应该会在很大程度上揭示这些材料的潜力。
这项研究中使用的关键技术称为原位磁强计，是一种实时磁监测方法，用于研究材料内部电子结构的演变。它能够通过测量磁性的变化来量化电荷容量。这项技术可以用于研究非常小规模的电荷存储，这超出了许多传统表征工具的能力。
Yu说：“最重要的结果是从物理学家常用但在电池界很少使用的技术中获得的。”。“这是物理学和电化学完美结合的完美展示。”
参考资料：李强、李宏森、夏清涛、胡正强、朱岳、严世申、陈戈、张清华、王小熊、尚贤涛、范舒婷、龙云泽、顾林、苗国兴、余桂花和Jagadeesh S.Moodera于2020年8月17日在《自然材料》杂志上发表的“原位磁强计揭示的过渡金属氧化物锂离子电池的额外存储容量”。
内政部：10.1038/s41563-020-0756-y
