一个由美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和斯坦福直线加速器中心（SLAC）国家加速器实验室研究人员组成的科学家团队找到了锂离子电池阴极材料性能降低的原因以及可能的补救措施。该研究成果于3月7日发表在《先进的功能材料》（Advanced Functional Materials） 上。该发现将有助于开发更便宜、性能更好的电动汽车电池。
要使电动汽车具有与汽油汽车相同的可靠性，就需要给其配备轻便且功能更强大的电池。锂离子电池是当今电动汽车中最常见的电池类型，但是其高成本和有限的寿命阻碍了电动汽车的普及。为了克服这一挑战，美国能源部国家实验室的科学家正在研究改进传统锂离子电池的方法。
多年来锂钴氧化物一直被用作锂离子电池的阴极。尽管钴在小型储能系统中得到了成功应用，但其成本和毒性限制了其在大型储能系统中推广的进程。现在研究人员正在研究如何在不损害材料性能的情况下，采用更安全、更平价的元素代替钴。研究电池多次充放电循环之后，富镍系层状材料退化的原因，并提供可能的解决方案。
对于富镍系材料，退化主要表现为容量衰减，科学家使用多种研究技术，从不同的角度对材料进行评估。在循环过程中，富镍系材料的性质可以在不同的长度尺度上发生变化，需要了解在充放电过程中，材料的结构如何在原子尺度上发生物理变化以及化学变化。
研究组在布鲁克海文的国家同步辐射光源II（NSLS-II）和SLAC国家加速器实验室的斯坦福同步辐射光源（SSRL）上对这种材料进行了表征，使用了X射线吸收光谱（XAS）技术揭示材料中活性金属离子周围环境的原子图像。”
研究发现，该材料具有坚固的结构，不会从大块物质中释放氧气，这颠覆了先前的认知，而应变和局部失调大多与镍有关。通过绘制该材料中的化学分布，并应用机器学习方法对数据进行分类，发现在整个粒子中镍原子的氧化态有非常不均匀。粒子内部的一些镍保持氧化状态，很可能失去活性，而表面的镍则不可逆转地减少，降低了电池的效率。另外，在电池充放电过程中，阴极材料膨胀和收缩，产生应力，如果这种应力不能迅速有效释放，那么材料结构内部就会出现裂缝。
科学家们认为可以通过合成一种中空结构的新材料来解决这个问题。他们通过实验和计算确认了这一设想。
