钠离子电池被吹捧为锂离子电池的可持续替代品，因为它们由更丰富的自然资源提供动力。然而，钠离子电池遇到了一个重大障碍：阴极随着充电而迅速退化。
康奈尔大学领导的一项合作成功地确定了一种可能引发这种退化的难以捉摸的机制——瞬态晶体缺陷——通过使用一种独特的X射线成像形式，研究人员能够在电池运行时捕捉到短暂的缺陷。
该小组的论文《钠离子电池层状氧化物中亚稳态缺陷的可操作相互作用和转化》于4月14日发表在《先进能源材料》杂志上。主要作者是博士后Oleg Gorobstov。
领导该项目的是康奈尔工程学院材料科学与工程系助理教授Andrej Singer。他的研究小组一直在研究能量和量子材料中的纳米级现象，通常使用先进的操作X射线工具。这些技术特别有助于探索瞬态缺陷的行为，瞬态缺陷仅在离子传输过程中短暂出现。因此，许多关于它们的生命周期和影响的信息仍然未知。
该团队与由Shirley Meng教授领导的加州大学圣地亚哥分校的研究人员以及美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源合作，使用布拉格相干衍射成像和高度同步的X射线束聚焦在充电的钠离子电池的组成部分，创建实时3D快照，其揭示NaxNi1-xMnyO2阴极内的形态和原子位移。
Singer说：“操作测量在这里是必不可少的。如果我们在第一次充放电循环前后观察电池，我们不会看到任何缺陷。但在操作过程中，我们会看到缺陷是如何形成和自愈的，留下可检测的‘疤痕’。”
为了解释他们观察到的现象，该团队从金属中获得灵感，金属中的位错等缺陷允许延展性材料变形而不会断裂。通过使用冶金建模，研究人员跟踪了瞬态（也称为亚稳态）缺陷的运动，并对材料转变和自我修复时移动它们的应力进行了定性预测。
Gorobtsov说：“位错是一维晶体缺陷。它们在我们研究的陶瓷阴极中的存在令人惊讶，其形成机制尚待了解。我们发现位错形成于瞬态形成的反相畴边界。前面的配置是一个新的难题，我们希望它能帮助我们更好地理解这类重要材料的缺陷动力学。”
研究人员现在将注意力转移到电池运行时缺陷与进出离子相互作用的方式，即离子扩散，这是一种能量传递的基本机制。Singer还指出，位错的方向表明粒子形状在这个过程中起着重要作用，因此他的团队和合作者计划研究是否可以调整这种形态以促进或消除位错。
Singer说：“我们还没有了解电池材料中延伸缺陷的作用。几个世纪以来，铁匠们甚至在没有意识到的情况下，就使用金属缺陷工程来制造更坚固、更耐用的材料。由于存在静电荷，将缺陷工程方法应用于陶瓷更具挑战性。尽管如此，在新的操作性测量和对相关机制的更好理解的帮助下，我们现在可以开始应对这一挑战。”
该研究4月14日发表于《先进能源材料》杂志上。
DOI:10.1002/aenm.202203654
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文章很好，虽然很多名词不懂，但是可以查。