圖片說(shuō)明：在錫氧化物中發(fā)現(xiàn)雙邊界缺陷需要射電顯微鏡的幫助：黃色的條紋(綠色箭頭處)顯示了鋰離子沿著雙邊界游走。圖片來(lái)源：Reza Shahbazian-Yassar

　　大多數(shù)人認(rèn)為缺陷就是缺陷，而一些來(lái)自密歇根理工大學(xué)(Michigan Technological University)的研究人員可不這么認(rèn)為。雙邊界，即材料中微小的對(duì)稱性缺陷，或許能夠使得鋰離子電池的性能提高。將雙邊界看作是能量高速公路的話，就可以幫助鋰離子走的更快，從而提高電池性能。

　　這一成果已發(fā)表在Nano Letters，此文顛覆了人們對(duì)材質(zhì)缺陷的傳統(tǒng)看法。Reza Shahbazian-Yassar協(xié)助領(lǐng)導(dǎo)了本項(xiàng)研究，并同密西根科技大學(xué)和納米技術(shù)方向的副教授Richard和材料科學(xué)與工程副教授Elizabeth Henes進(jìn)行聯(lián)合研究。Anmin Nie是團(tuán)隊(duì)中的一名高級(jí)博士后研究員，做了本項(xiàng)研究的主要工作。

　　Nie說(shuō)：包括雙邊界在內(nèi)的材料缺陷都是天然的，而過(guò)去的研究主要想克服這些缺陷。

　　我們通過(guò)觀察電池材料的納米結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了一些材料缺陷如雙邊界，可以是一個(gè)很好的高速鋰離子傳輸通道。鋰離子移動(dòng)的快慢是電池性能好壞的關(guān)鍵因素，移動(dòng)越快，電池性能越好。

　　鋰離子電池是如何工作的?

　　Shahbazian-Yassar說(shuō)道：我們身邊電子產(chǎn)品主要靠電池供電。過(guò)去幾年里，研究人員將注意力主要集中在可充電電池上，尤其是鋰離子電池。

　　這是因?yàn)殇囯姵刭|(zhì)量輕，能量密度高，能量效率也高。類(lèi)似于堿性電池，鋰電池的運(yùn)行依賴于鋰離子從一極到另一極的運(yùn)動(dòng)。用專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，也就是陽(yáng)極和陰極之間的游動(dòng)，從而產(chǎn)生了電流。電池電量低也就意味著陽(yáng)極和陰極之間的離子交換變少了，而雙邊界效應(yīng)有助于鋰離子的交換，從而延長(zhǎng)電池壽命。

　　雙邊界基本上是鏡像，是映射另一面的原子排列面。它們往往是材料中一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置的結(jié)果。

　　Nie對(duì)這種雙邊界效應(yīng)的解釋是，這種邊界一定程度上是一種弱點(diǎn)。在沒(méi)有原子排列圖的情況下，一些人認(rèn)為電極材料的結(jié)構(gòu)是完美的;但是當(dāng)你在原子尺度上觀察時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些原子都在同一平面內(nèi)且是對(duì)稱的。

　　雖然是材質(zhì)缺陷，但同時(shí)，這種對(duì)稱性也為鋰離子傳輸?shù)奶峁┝藗鬏斁€路。Shahbazian-Yassar和他的團(tuán)隊(duì)在去年秋天得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)材料研究部的資助，用于研究將雙邊界作為鋰離子傳輸通道。

　　鋰電池的空間就如同擁擠城市里面的狹窄街道，而鋰離子就如同狹窄街道上開(kāi)動(dòng)的汽車(chē)。Shahbazian-Yassar說(shuō)道：晶體內(nèi)的可利用空間是鋰離子進(jìn)進(jìn)出出電極的地方。如果發(fā)生了車(chē)禍，道路就會(huì)堵塞，使得汽車(chē)不容易通過(guò)，這個(gè)道理對(duì)電池中的鋰離子也適用。

　　鋰離子需要開(kāi)闊的道路，以便能在電極之間穿梭。任何妨礙離子運(yùn)動(dòng)的行為，都會(huì)減少電池能量或者導(dǎo)致電池功率的降低。

　　本研究小組研究了錫氧化物中的雙邊界。但Shahbazian-Yassar說(shuō)：這種效應(yīng)在其它電池材料中也適用。下一步的研究就是如何最大化將雙邊界結(jié)構(gòu)的數(shù)量和利用材質(zhì)缺陷這兩方面整合起來(lái)。找到平衡是研究工作的關(guān)鍵一步，而對(duì)于雙邊界認(rèn)識(shí)的新突破則是提高鋰離子電池性能的基礎(chǔ)工作。(科學(xué)之家，譯審：Y Li)