無序巖鹽能否為下一代鋰電池帶來訂單

更好的電池對於從小工具到不斷更新的可再生電網的穩定性，都是一項至關重要的使能技術。但是，已經嘗試瞭大多數將更多容量壓縮到電池中的明顯方法，這些方法都直接遇到瞭問題。盡管可能有解決這些問題的方法，但他們將需要大量工作來克服這些障礙。

本周早些時候，一篇論文介紹瞭一種新的電極材料，該材料似乎可以避免困擾其他擴大電池容量方法的問題。它是一種非常簡單的材料：食鹽晶體在同一結構上的一種變化。盡管它還沒有準備好投入電池使用，但早期的數據肯定表明它值得進一步研究。

鋰密度

顧名思義，鋰離子電池包括在電池的陰極和陽極之間對鋰進行改組。結果是兩個電極最終都需要存儲鋰原子。因此，下一代電池的大多數想法都涉及尋找更有效的電極材料。

其中最簡單的方法可能是使用鋰金屬電極。從化學角度講，隻要適當保護反應性鋰，這種方法就行得通。但是從物理角度來看存在問題：一旦鋰在充電/放電循環中返回，電極上就沒有結構鋰。因此，重新形成的金屬往往是不均勻且尖刺的，並且最終會刺穿分隔兩個電極的膜。

對另一個電極起作用的方法是簡單地使鋰與氧反應，將其存儲為氧化鋰。同樣，這裡的氧化物如何形成還有結構性問題。但是大多數問題都是化學問題，因為會發生大量副反應（其中一些副反應與電池的其他組件一起發生），這些副反應會迅速導致容量下降。

因此，其他研究人員一直專註於可以存儲更多鋰的電極材料。各種硫磺材料都起作用，但它們也傾向於以降低電池容量的方式發生反應。矽在電池中接近化學惰性，但是向其中填充太多的鋰會使矽急劇膨脹（硫基電極也存在問題）。結果，除非有某種方法可以控制這種膨脹，否則它往往會物理損壞電池。到目前為止，關於解決化學和結構問題的材料的討論還很少。但這恰恰是無序鹽鹽所能保證的。

無序行為

那麼，什麼是無序巖鹽呢？最好從有序的巖鹽開始理解它們，並以氯化鈉晶體為代表。在這些晶體中，鈉離子和氯離子形成規則，有序的結構。您可以將它們視為一系列物體，例如立方體或金字塔，並且在形狀的每個角處都有離子。這種結構幾乎不會留在開放空間中，因為離子緊密地堆積在一起，每個可用角都有一個。

無序的晶體與它們具有相同的有序結構，但隻是不會將離子堆積到該結構的每個可能位置。缺少離子的精確位點可能會有所不同，這就是為什麼它們被稱為“無序”的原因-它們的概念結構非常有序，但是有些混亂。

那麼，這與電池有什麼關系呢？雜亂無章的巖鹽可能會形成，其中一些空間充滿鋰離子。而且有可能將一些額外的鋰離子填充到晶體中的斑點中，否則這些斑點可能不會以其無序形式被占據。

充放電

對於這項工作，與美國的大型合作使用瞭一種由鋰，釩和氧的混合物制成的材料。晶體框架具有式V2O5，其中結合瞭可變數量的鋰離子。為瞭弄清楚到底有多少，研究人員制作瞭一些材料並對其進行充電和放電。接下來，他們使用X射線和中子衍射以及電子顯微鏡對材料進行瞭成像。他們還建立瞭充電/放電過程的動態化學模型。

如預期的那樣，充電和放電循環涉及將鋰離子移入和移出結構。在最大充電時，該材料可以為每個V2O5單元容納近5個鋰離子。當完全排空鋰時，對於每單位V2O5而言，它下降到不足三個鋰離子。至關重要的是，由於它適合於非常有序的結構，因此添加的鋰不會對其造成太大改變，它隻能總共膨脹5.9％。

裝載和卸載鋰的過程並不是將新離子放入適當位置的靜態過程。取而代之的是，鋰將優先占據晶體中的某些位置，但會隨著其他鋰離子的進入而遷移到其他位置並改變充電環境。另外，釩離子也可以在該過程中改變其氧化態。

實際電池

當研究人員使用電池制造電池時，他們發現大約20％的電池總容量可以放電。而且，總容量僅略低於使用純鋰金屬電極的電池的報告容量。

最好的是，它很穩定。經過1000次充電/放電循環後（即每天將近三年的充電），它仍然具有原始容量的87％。他們已經發送瞭一個6000個周期，發現它仍在工作。

目前材料的最大問題是LixV2O5的導電性能不佳，這意味著功能電池所需的電荷收集工作效率不高。研究人員建議，有必要用一種導電性更高的材料來摻雜材料，或者用某種導電性材料來破壞巖鹽。

但這似乎比被視為電池電極的許多替代材料所面臨的挑戰要小。當然，嘗試找出如何大規模生產此類產品時，可能還會出現其他問題。但是最初的結果表明，無疑有人會試圖找出那些問題可能是什麼。