X射线成像捕获钠离子电池中稍纵即逝的缺陷

钠离子电池被吹捧为锂离子电池的可持续替代品，因为更丰富的自然资源为它们提供动力。然而，钠离子电池遇到了一个重大障碍：阴极在充电后迅速降解。

康奈尔大学领导的一项合作发现了一种难以捉摸的机制，可以通过使用一种独特的X射线成像形式来触发这种降解 - 瞬态晶体缺陷，使研究人员能够在电池运行时捕获短暂的缺陷。

该小组的论文“钠离子电池层状氧化物中亚稳缺陷的操作相互作用和转化”发表在Advanced Energy Materials上。主要作者是博士后研究员Oleg Gorobstov。

领导该项目的是康奈尔工程学院材料科学与工程系助理教授和David Croll Sesquicentennial教员Andrej Singer。

他的研究小组一直在研究能量和量子材料中的纳米级现象，通常是利用先进的操作X射线工具。这些技术对于探索瞬态缺陷的行为特别有用，这些缺陷在离子传输过程中仅短暂出现。因此，关于它们的生命周期和影响仍然未知。

该团队与加州大学圣地亚哥分校的研究人员合作，由Shirley Meng教授领导，以及美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源，该团队使用布拉格相干衍射成像和高度同步的X射线束聚焦在充电钠离子电池的组成部分上，创建实时3D快照，揭示NaxNi1-yMnyO2阴极内的形态和原子位移。

“Operando测量在这里是必不可少的，”辛格说。“如果我们在第一次充放电循环之前和之后观察电池，我们就不会发现任何缺陷。但在手术过程中，我们看到缺陷是如何形成和自我愈合的，留下可检测的'疤痕'。

为了解释他们在钠离子储能中观察到的情况，该团队从金属中汲取灵感，其中位错等缺陷允许延展性材料变形而不会断裂。通过使用冶金建模，研究人员跟踪了瞬态(也称为亚稳态)缺陷的运动，并对材料转化和自我修复时移动它们的应力进行了定性预测。

“位错是一维晶体缺陷。它们在我们研究的陶瓷阴极中的存在令人惊讶，它们的形成机制尚未得到了解。我们发现位错在瞬时形成的反相域边界处形成，“Gorobtsov说。

“前面的配置是一个新的难题，我们希望能帮助我们更好地了解这一类重要材料的缺陷动力学。

研究人员现在正在将注意力转向缺陷与离子相互作用的方式，即离子扩散，随着电池的运作 - 这是能量传递的基本机制。

辛格还指出，位错的方向表明颗粒形状在此过程中起着重要作用，因此他的团队和合作者计划研究是否可以调整这种形态以促进或消除钠离子电池中的位错。

“我们还没有了解电池材料中扩展缺陷的作用，”辛格说。

“几个世纪以来，铁匠使用金属缺陷工程来制造更坚固、更耐用的材料，甚至没有意识到这一点。由于静电荷的存在，将缺陷工程方法应用于陶瓷更具挑战性。尽管如此，在新的操作测量和对所涉及的机制的更好理解的帮助下，我们现在可以开始应对这一挑战。

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