一个由两位Skoltech科学家组成的国际研究小组通过实验证明，长期以来对锂离子电池低能量效率的解释并不成立。研究人员用正极中氧和过渡金属原子之间缓慢的电子转移来解释这一现象，而不是原子本身发生迁移。这项研究周四发表在《自然化学》杂志上。

今天用于电动汽车和小工具的锂离子电池的容量大约是其富含锂的氧化物阴极的表兄弟的一半。后一种技术的问题是它的效率低。你必须花费比它最终提供的更多的电力来给电池充电。随着时间的推移，特别是对于消耗大量能源的应用来说，这种损失的电力真的会增加，使得这种类型的电池到现在为止在商业上还不可行。

为了释放含有富锂氧化物阴极的电池的潜力，研究人员必须了解其低效率背后的机制，以及损失的能量究竟去了哪里。最近发表在《自然-化学》上的研究提供了实验证据，驳斥了以前对这一现象的解释--技术上称为电压滞后，并提供了一个新的理论来解释这一现象。

当一个锂离子电池被充电时，锂离子在其两个电极之间移动。迁移到阳极时，它们在阴极留下空位。循环的另一半涉及锂离子返回，因为能量被消耗掉了，比如为手机供电。

然而，在此期间，构成阴极的一些过渡金属原子可能已经暂时侵入空位，然后再次拉回，在这种跳跃中花费宝贵的能量。研究报告的合著者、Skoltech公司的博士生AnatolyMorozov认为或者电压滞后的旧理论就是这样。

为了测试这一解释，研究人员使用了斯科尔技术公司先进成像核心设施的透射电子显微镜，监测由公式为Li1.17Ti0.33Fe0.5O2的材料制成的富锂电池阴极在电池充放电循环的不同阶段的原子结构（见下图）。然而，没有观察到铁或钛原子向锂空位的明显迁移，这表明有一些其他的过程在吸走能量。

"我们的发现启发了该团队在其他地方寻找电压滞后的起源。引起这一现象的不是可逆的阳离子迁移，而是氧原子和过渡金属原子之间电子的可逆转移。当电池被充电时，一些来自铁的电子被氧原子劫持了。后来，它们又回去了。这种可逆的转移消耗了一些能量。"阿尔特姆-阿巴库莫夫教授解释说，他是斯科尔技术公司能源科学和技术中心的负责人。

从电子转移的角度理解电压滞后可能对减轻这种不受欢迎的影响有直接的影响，以使下一代锂离子电池具有创纪录的高能量密度，为电动汽车和便携式电子产品提供动力。为了实现下一步，化学家可以在元素周期表和'化学软度'等概念的指导下，通过改变阳离子-阴离子键的共价性来操纵电子转移障碍。

"这显示了先进的透射电子显微镜在破译极端复杂的局部结构方面的力量。在斯科尔技术公司的年轻研究人员能够直接和容易地获得像像差校正电子显微镜这样的先进设备，并有机会进一步培训，这真的很好。这使我们能够与学术界和工业界的国际同行合作，为的电池研究做出贡献。"莫罗佐夫补充说。