由斯科爾特科技公司（Skoltech）的研究人員及其來自法國、美國和瑞士的同事組成的一個國際團隊發現了鋰離子電池在充放電循環中發生能量損失的原因，鋰離子電池的陰極由復雜的富鋰過渡金屬氧化物制成。發表在《自然材料》（Nature Materials）上的這項新研究表明，導致低能效的充放電工作電壓的差異是由于長期存在的受動力學阻礙的中間鎳物種造成的。

快速增長的電動汽車行業需要具有更高能量密度的鋰離子電池，以提供一次充電就能行駛更遠的電動汽車。下一代牽引電池可以在先進陰極材料的基礎上制造，例如富含鋰的過渡金屬復合氧化物，由于過渡金屬（鎳和鈷）的陽離子和氧化還原反應中涉及的氧陰離子，這些材料保持著當前的比容量記錄。然而，電壓滯后鈥攖充放電電壓差鈥攍eads減少了電池運行期間的能量損失，限制了實際應用。

“在鋰離子電池充電過程中，帶正電的鋰離子離開其在陰極材料結構中的位置，然后在電池放電時重新沉積。為了使陰極材料保持電中性，它應該釋放或吸收相同數量的電子。我們的研究表明，在很大程度上，電子束的運動障礙和能量屏障是由電子轉移，而不僅僅是鋰離子的遷移。Skoltech能源科學與技術中心（CEST）主任Artem Abakumov教授解釋道：“金屬陽離子和氧原子之間的電子轉移可能特別緩慢，導致能量損失。”。

“為了捕捉這些長壽命的電子態，我們首先排除了其他可能的滯后原因，例如過渡金屬陽離子遷移引起的陰極晶體結構的變化。這要歸功于高分辨率透射電子顯微鏡鈥攏amely，先進成像核心設施的Titan Themis Z顯微鏡鈥攚e提供了確鑿的證據，證明這種不可逆過程不會發生。Titan Themis Z擁有高達0.06納米的空間分辨率，這意味著我們可以獲得晶體結構的原子分辨率圖像，”斯科特爾科技大學博士生Anatolii Morozov說。

“我們的顯微鏡本身就是一個材料科學實驗室，能夠用各種高局域性方法分析材料。在我們的研究中，我們不僅使用了結構圖像，而且還對鎳和鈦陽離子以及不同電池充電狀態下的氧陰離子的電子態進行了光譜分析。因此，我們發現這不是其他的斯科爾特科技公司的研究科學家奧爾加·埃梅利亞諾娃解釋說：“n氧化鎳陽離子形成了一種長壽命的電子狀態，這一事實隨后被其他光譜學方法所證實。”。

“我們的研究揭示了現代透射電子顯微鏡技術為研究具有高實用價值的材料提供的獨特機會。了解當地的晶體和電子結構對于有針對性地開發具有獨特功能的材料至關重要。開展此類研究的能力是斯科爾特的一項重要競爭優勢。”高級成像核心設施負責人Yaroslava Shakhova補充道。