锂离子电池是电动汽车的标准，但其原材料成本高昂，供应链也不可靠。钠离子电池是一种可缓解上述挑战的替代品。然而，这些电池的性能会随着反复充放电而迅速下降。这是将这些设备推向市场的一大障碍。在这项研究中，研究人员利用电子显微镜和 X 射线散射相结合的方法找到了性能下降的原因：在制造阴极材料时引入的缺陷。这些知识将帮助研究人员设计出更耐用的钠离子电池阴极。
影响。
利用从这项研究中获得的知识，电池开发人员或许能够制造出几乎没有缺陷的钠离子电池阴极。这些新设备的成本可能低于目前的锂电池，而且寿命更长。这一新技术可使电动汽车的行驶里程更长，充电时间更短，价格更合理。成本更低的电池还能降低电网的储能成本。
总结。
这项研究由阿贡国家实验室、威斯康星大学密尔沃基分校和斯坦福大学的一个团队完成，其关键在于将不同的实验技术相结合。研究利用能源部（DOE）科学办公室两个用户设施的研究工具对新合成的阴极材料进行了检验：先进光子源的高能 X 射线束和纳米材料中心的分析能力。合成过程包括缓慢加热阴极材料，然后迅速降温。科学家们利用透射电子显微镜和表面 X 射线衍射技术对这种材料进行了现场检测，得出结论认为，在冷却期间会形成缺陷。这些缺陷会导致阴极颗粒开裂和性能下降，而当阴极快速充电或在高温下充电时，情况只会变得更糟。最终，这可能导致阴极发生 "结构性地震"，导致电池发生灾难性故障。
有了这些知识，电池开发人员就可以在电池合成过程中调整条件，控制钠离子电池阴极的缺陷。这项工作充分利用了两个用户设施的能力，在样品环境发生可控变化的情况下，实时捕捉材料转化的信息。这些发现强调了消除这些缺陷以确保钠离子电池在更高电压下长期稳定循环的重要性。
资助。
本研究由能源部车辆技术办公室资助。研究工作在先进光子源和纳米材料中心（均为能源部科学办公室的用户设施）进行。
出版物。
参考文献：Xu, GL., et al., Native lattice strain induced structural earthquake in sodium layered oxide cathodes. Nature Communications 13, 436 (2022). [DOI: 10.1038/s41467-022-28052-x]
