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在伯克利实验室使用X射线技术生成的中间和右侧图像中,电池电极材料中锰化学的探索存在明显的对比。另一种称为sXAS的技术(左图)未显示相同水平的对比度(信用:伯克利实验室)科学家们发现了一种新的元素锰化学状态这种化学状态,大约在90年前首次提出,能够快速有效地生产高性能,低成本的钠离子电池。通过电网存储和分配太阳能电池板和风力涡轮机产生的能量这种含锰电池组件中先前未经证实的充电状态的直接证据可以为美国能源部的电池创新X射线实验提供新的探索途径。劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)是发现的关键。研究结果于2月28日发表在Nature Communications Sc杂志上。伯克利实验室和纽约大学的学者参加了这项研究,该研究由Natron Energy的研究人员领导,该公司前身是位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的电池技术公司Alveo Energy.Natron Energy为该研究提供的电池具有非常规设计。阳极,它是两个电极之一与锂离子电池中相对成熟的阳极设计相比,钠离子电池的阳极仍然是研发的主要焦点。这项最新研究中的阳极由混合物组成。元素 - 包括锰,碳和氮 - 在化学上类似于称为普鲁士蓝的含铁涂料颜料的配方在钠离子电池中实现高性能的阳极材料的原子结构钠(Na)原子和锰(Mn)原子被标记(Credit:Berkeley Lab)“通常,在锂离子和钠离子电池中,阳极通常是碳基的,”杨万里说。伯克利实验室高级光源的一名科学家,是电池实验中使用的X射线源。但在这种情况下,两个电池的电极都使用相同类型的材料,这些材料基于被称为“过渡金属”的元素。在化学中有用,因为它们可以表现出各种带电状态另一个电极,称为阴极,含有铜,氮,碳和铁“这里非常有趣的部分是两个电极都是基于相同类型的过渡金属的化学材料,“他补充说,阴极中含有铁,阳极中含有特殊的锰化学物质。”将这种材料用于电池中的两个电极的直接好处之一是两个电极都没有从根本上限制功率容量,循环寿命Natron Energy公司首席执行官Colin Wessells说,该电池的性能超过了能源部的电网规模能源的循环寿命和价格目标。研究人员在最新研究报告中指出,Wessells的电池非常稳定,材料丰富,整体成本与传统铅酸电池相比具有竞争力,并且与传统电池相比环境容量小。已经证明,它可以在非常快速的5分钟放电中提供高达90%的总能量,并且可以保留约95%的放电容量1000次循环。它提供了一种替代基于重力的电网储能系统,其中水被上山然后根据需要释放下来以释放电力尽管如此,电池如何实现其高性能让研究人员感到困惑有人猜测,可追溯到1928年的德语期刊文章,锰可能存在于所谓的“1 +”或“单价”状态,这意味着这种状态下的锰原子只损失一个电子。这是不寻常的,因为锰原子通常已知在化学反应中放弃两个或多个电子,或者没有电子,但不仅仅是一个这样一种新的化学状态可以实现对电池阳极有用的电压范围但是没有任何测量证实这种单价锰的形式Natron Energy研究人员在伯克利实验室的纳米科学中心Molecular Foundry研究了电池材料,然后提供了一些用于研究ALS的样品电池单元 在ALS进行的第一轮X射线实验,使用了一种称为软X射线吸收光谱的技术,似乎主要显示了2+形式的锰“我们在初始测试中只发现了一种暗示(另一种形式)并且不得不在很大程度上依赖理论来推测一个不同的国家,“纽约大学的安德鲁·雷(Andrew Wray)说,他进行了理论计算然后团队转向ALS新建的系统,称为原位共振非弹性X射线散射,或iRIXS该技术提供了材料内部化学的高灵敏度探测,在电池的充电和放电周期中显示出电子的明显对比“非常明显的对比立即出现在RIXS上,”杨说“我们后来意识到锰1+在其他传统光谱学中表现得非常非常接近于典型的2+状态,“这就是为什么它几十年来很难被发现的Wray补充说,”分析RIXS结果不仅证实了锰1+的状态;它还表明,产生这种状态的特殊情况使电子更容易在材料中传播。这可能是为什么这种不寻常的电池电极表现如此之好“基于实验室测试的电池的商业原型进入了客户测试阶段Wessells今年指出,除了电网应用,Natron Energy正在推广数据中心的应急电源技术,以及电动叉车等重型设备,以及其他可能的应用杨说,最新研究中解决的化学难题可以启发新型电池电极的其他研发“电池的运行可能会推动我们传统思维中不存在的非典型化学状态的出现这种基本的理解可以引发其他新颖的设计,并在电极上睁开眼睛,超越我们的传统智慧”材料方面,他说:“这项研究就像一个完美的包装,结合了工业,国家实验室,a和大学的贡献,“杨说先进的光源和分子铸造厂是DOE科学办公室用户设施这项工作得到了美国能源部高级研究计划局 - 能源部,能源部科学办公室,实验室指导研究的支持伯克利实验室的发展计划和国家科学基金会出版物:Ali Firouzi等,“用于稳定的低成本高效率钠离子电池的单价锰基阳极和共溶剂电解质”,Nature Communications,第9卷,货号:861(2018)doi:101038 / s41467-018-03257-1来源:Glenn Roberts Jr,