东方时讯网为了满足不断增长的能源需求并为市场上无数的电子设备供电，研究人员需要开发新的先进电池技术。理想情况下，这些技术应该具有更高的能量密度和更长的寿命，这样它们才能储存更多的能量并持续更长时间。
迄今为止，现有可充电锂离子(LiBs)和钠离子(NaBs)电池的能量密度一直难以提高。一个关键原因是它们的阴极通常由过渡金属氧化物制成，在电池充电或放电时通过去除和重新插入Li+来工作，只能通过过渡金属离子的氧化和还原来补偿电荷。这对可以存储在电池中的总电荷造成了限制。
牛津大学、巴斯大学和DiamondLightSource的研究人员最近开展了一项研究，探索所谓的“O-氧化还原”阴极提高LiBs和NaBs能量密度的潜力。他们发表在NatureEnergy上的论文首次提供了O-氧化还原阴极中O2-离子上形成的离域电子空穴的性质的直接证据，这可以指导替代阴极的未来发展。
“我们有兴趣了解电池阴极中氧化物离子的可逆电荷存储机制，”开展这项研究的研究人员之一罗伯特A.豪斯告诉TechXplore。“目前只有少数已知材料可以可逆地进行氧氧化还原，而且这一过程背后的化学原理尚不清楚。揭示这种电荷存储机制的本质可能有助于为下一代可充电电池解锁新的高能量密度阴极材料电池。”
众所周知，阴极中氧离子氧化引起的分子氧的形成会降低电池技术的循环稳定性。顾名思义，O-氧化还原阴极将依靠氧离子的氧化来为电池提供高电压下的额外容量。
House和他的同事着手更好地了解氧化物离子上电子空穴的性质，因为这最终可能为可逆O-氧化还原阴极的实现提供信息。
为此，他们结合了先进的表征技术，包括高分辨率共振非弹性X射线散射(RIXS)、O核磁共振(NMR)和超导量子干涉装置(SQUID)磁力测定法。
“我们选择使用能够直接探测可逆氧氧化还原阴极原型示例中氧气的分析工具，”House说。“这些技术使我们能够确定电池充电后电荷在氧化物离子上的分布，并跟踪它如何随时间变化。数据显示电荷均匀分布(或离域)在特定的氧气环境中，这些氧气环境通过结构形成带状结构”
在他们的实验中，House和他的同事使用了Na0.6[Li0.2Mn0.8]O2阴极材料，其中氧化的O2-转化为O2的过程缓慢。这使他们能够彻底捕捉阴极中氧空穴状态随时间的变化。
“如果我们要实现高压氧氧化还原阴极的全部潜力，我们需要找到能够为氧上的电子空穴提供稳定支持的材料，”House解释道。“已经表明，这在原则上可以通过使结构中氧化物离子带上的电荷离域来实现，希望有可能利用我们研究中的经验来设计稳定的氧氧化还原阴极。”
这组研究人员最近的工作有助于持续努力，旨在创造真正可逆的O-氧化还原阴极，使LiBs和NaBs的能量密度更高。将来，他们的结果可能会为进一步研究O-氧化还原化学铺平道路，从而有可能为下一代电池设计出有前途的阴极。
“我们现在继续深入了解我们对氧氧化还原化学的理解，并运用我们的知识来发现新的高能量密度阴极材料，”豪斯补充道。