采用这种阴极材料的测试电池表现出改善的高压循环特性-您需要快速充电的电动汽车和其他需要大容量存储的应用。科学家在2016年1月11日的“自然能源”杂志上发表的一篇论文中描述了阴极材料的微纳米级细节。

“我们在伯克利实验室的同事能够制造出具有两层复杂程度的颗粒结构，其中材料的组装方式可以保护自身免受降解，”BrookhavenLab物理学家和StonyBrook大学兼职助理教授HuolinXin解释说。帮助描述了布鲁克海文实验室功能纳米材料中心阴极材料的纳米级细节。

SLAC的StanfordSynchrotronRadiationLightsource(SSRL)的科学家们在CFN的新电子显微镜下进行的X射线成像显示，阴极材料的球形颗粒直径为百万分之一米或微米，由许多较小的刻面组成纳米级粒子像砖一样堆积在墙上。表征技术揭示了重要的结构和化学细节，解释了为什么这些颗粒表现如此之好。

锂离子穿梭机

化学是所有锂离子可充电电池的核心，它通过在电解质溶液中浸泡正极和负极之间的锂离子来驱动便携式电子产品和电动汽车。随着锂进入阴极，化学反应产生的电子可以被送到外部电路使用。再充电需要外部电流来反向运行反应，将锂离子从阴极中拉出并将它们送到阳极。

像镍这样的活性金属有可能制造出很好的阴极材料-除了它们不稳定并且往往会与电解质发生破坏性的副反应。因此，Brookhaven，Berkeley和SLAC电池团队尝试了加入镍的方法，但保护它免受这些破坏性的副反应。

他们以一定比例喷涂锂，镍，锰和钴的溶液，通过雾化器喷嘴形成微小液滴，然后分解形成粉末。反复加热和冷却粉末引发微小纳米尺寸颗粒的形成，并将这些颗粒自组装成更大的球形，有时是中空的结构。

在SLAC的SSRL上使用X射线，科学家们制作了微米级结构的化学“指纹”。这种称为X射线光谱学的同步加速器技术表明，球体的外表面镍含量相对较低，而非活性锰含量较高，而内部富含镍。

“锰层形成一个有效的屏障，就像墙上的油漆一样，保护富镍”砖“的内部结构不受电解质的影响，”辛说。

但是锂离子如何能够进入材料与镍反应?为了找到答案，Xin在CFN的小组研究了较大的颗粒，形成了由更小的纳米级初级颗粒团块组成的粉末，它们之间的一些界面仍然完好无损。

“这些样品显示了形成墙壁的一小部分砖块。我们想看看砖块是如何组合在一起的。什么样的水泥或砂浆将它们捆绑在一起?它们是经常分层在一起还是随机取向，中间有空隙?“辛说。

纳米级细节解释了改进的性能

使用像差校正扫描透射电子显微镜-扫描透射电子显微镜配备一对“眼镜”以改善其视觉-科学家们看到这些颗粒具有刻面，平面或侧面，如晶体的切边这使得它们能够紧密地堆积在一起形成连贯的界面，砖之间没有砂浆或水泥。但是两个表面之间存在轻微的不匹配，界面一侧的原子相对于相邻粒子上的原子稍微偏移。

“微小颗粒之间界面处的原子堆积比每个颗粒内的完美晶格密度小，所以这些界面基本上是锂离子进出的通道，”辛说。

像微型智能汽车一样，锂离子可以沿着这些高速公路移动到达墙壁的内部结构并与镍反应，但是更大的半卡车尺寸的电解质分子不能进入以降解反应材料。

在他们的显微镜下使用光谱工具，CFN科学家们制作了纳米级化学指纹图谱，显示即使在纳米级也存在一些镍和锰的偏析，就像在微米级结构中一样。

“我们还不知道这是否具有功能意义，但我们认为这可能是有益的，我们希望进一步研究这一点，”辛说。例如，他说，也许这种材料可以在纳米级制造，以获得锰骨架，以稳定更具反应性，不太稳定的富镍口袋。

“这种组合可能会让你的电池使用寿命更长，镍的充电容量更高，”他说。