據外媒報道，由伍倫貢大學（University of Wollongong）超導與電子材料研究所負責的國際團隊證實，通過引入新型分子軌道相互作用，可以提高鋰離子電池正極材料的結構穩定性。

（圖片來源：伍倫貢大學）

       對電動汽車行業來說，為高性能鋰離子電池生產更好的正極材料，是主要挑戰之一。在此項研究中，研究人員利用澳大利亞核科學技術組織（ANSTO）的設施和技術，證明在富有前景的正極材料尖晶石LiNi0.5 Mn1.5 O4（LNMO）中摻雜鍺，能夠明顯增強氧和金屬陽離子之間4s-2p軌道的相互作用。“相對來說，4s-2p軌道并不常見。但研究人員在文獻中發現了一種化合物，其中鍺的價態為+ 3，使電子構型（[Ar] 3d104s1）成為可能，其中4s過渡金屬軌道電子可與氧2p軌道上的未配對電子相互作用，產生雜化4s-2p軌道。”

       在LNMO材料中，4s-2p軌道可以實現結構穩定性。通過ANSTO的澳大利亞同步加速器（Australian Synchrotron）和澳大利亞中子散射中心（Australian Center for Neutron Scattering）的同步加速器和中子實驗，以及其他方法，可以確定這一點。

       該團隊使用中子和（基于實驗室的）X射線粉末衍射，以及顯微鏡，確認了所摻雜的鍺在LNMO結構（具有Fd3 ̅m空間群對稱性）的16c和16d晶位上的位置。鍺摻雜劑的價態對研究很重要。因此，研究人員在澳大利亞同步加速器進行了實驗X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收能譜（XAS）測量。結果證實，鍺摻雜劑的平均價態為+3.56，其中鍺在16c和16d位點的價態分別為+3和+4。這一觀察結果得到密度泛函理論（DFT）計算結果的支持。

       研究人員對含有LNMO的電池電化學性能進行評估，并將其與含有4s-2p軌道雜化（稱為4s-LNMO）的LNMO電池進行比較。評估發現，摻雜2%的鍺，有助于更好地實現結構穩定性，同時可以降低電池電壓極化，提高能量密度和高電壓輸出。研究人員Gemeng Liang博士表示：“研究人員想要了解鋰在兩種材料中的擴散動力學。結果發現，將鍺引入系統后，鋰在材料中的擴散速度更快，能夠更快地充電。”

       完成性能測試后，Liang博士在軟X光束線上使用基于同步加速器的近邊X射線吸收光譜（NEXAFS），以獲得關于循環過程中活性物質電子結構的更詳細信息。在電池開路電壓下的光譜數據發現，在4s-2p軌道雜化對應的位置上，4s-LNMO材料的峰值強度顯著增加，進一步驗證了新型4s-LNMO軌道相互作用的成功引入。研究人員之一、儀器科學家Bruce Cowie博士表示：“研究人員可以看到未填滿的軌道，以一種獨特但復雜的方式與填滿的軌道聯系在一起。在此基礎上，通過量子力學計算或與類似材料做比較，可以更好地描述系統的化學性質。”

       NEXAFS數據也有助于評估材料中錳的行為。Liang博士表示：“阻止錳溶解到電解質中，可以阻止結構中形成Mn+2和+3，有助于防止結構退化。”NEXAFS結果表明，在4s-LNMO中只有少量的Mn3+，而不存在明顯的Mn2+，進一步提高了材料的結構穩定性。

       在澳大利亞同步加速器的粉末衍射波束線上進行的現場原位實驗中，研究人員探討在電池循環過程中的材料結構行為。該團隊利用這些數據證實了，在高工作電壓下，4s-LNMO中不利的兩相反應得到抑制。

       研究人員表示，在電池研究中，軌道雜化是一個相當新的概念，在解決電池性能問題方面非常有前途。值得一提的是，這種方法可以擴展至其他電池材料。