“无序的岩盐”能给下一代锂电池带来秩序吗？

更好的电池是一项关键的使能技术，从你的小玩意儿到越来越可再生的电网的稳定性，无所不包。但是，大多数明显的将更多容量挤入电池的方法都已经尝试过，而且都直接遇到了问题。虽然可能有办法解决这些问题，但他们需要做大量的工作来克服这些障碍。

本周早些时候，一篇论文报道了一种新的电极材料，它似乎避免了困扰其他扩大电池容量方法的问题。而且它是一种非常简单的材料：它是由食盐晶体形成的同一结构的变体。虽然它还远没有准备好投入一块电池，但早期的数据肯定表明它值得进一步研究。

锂离子电池，顾名思义，包括在电池的阴极和阳极之间洗牌锂。其结果是，这两个电极最终都需要存储锂原子。因此，下一代电池的大多数想法都涉及寻找更有效的电极材料。

其中最简单的可能是使用锂金属电极。这从化学角度来看是可行的，只要活性锂得到适当的保护。但从物理角度看也有问题：一旦锂在充放电循环中返回，电极上就没有任何东西来构建它的结构。因此，重新形成的金属往往是不均匀的和尖状的，最终会穿透分隔两个电极的膜。

另一种适用于另一电极的方法是简单地将锂与氧气反应，将其储存为锂氧化物。再说一次，氧化物是如何形成的，这里有结构性的问题。但大多数问题都是化学的，因为会发生大量的副反应-其中一些是与电池的其他组件发生的-这些副反应会迅速导致容量下降。

因此，其他研究人员一直专注于能够储存更多锂的电极材料。各种硫材料可以工作，但它们也往往会以降低电池容量的方式发生反应。硅在电池中更接近化学惰性，但在它里面填入太多的锂会导致它急剧膨胀(硫基电极也有这个问题)。因此，除非有某种方法来控制这种扩张，否则它往往会在物理上破坏电池。

到目前为止，还没有太多关于解决化学和结构问题的材料的讨论。但这正是乱七八糟的岩盐似乎所承诺的。

那么，无序的岩盐到底是什么呢？对它们的最好理解是从有序的岩盐开始，它们以氯化钠的晶体为代表。在这些晶体中，钠离子和氯离子形成规则有序的结构。你可以把它们想象成一系列的东西，比如立方体或金字塔，形状的每个角落都有离子。这种结构几乎没有给开放空间留下什么障碍，因为离子紧密地堆积在一起，每个可用的角落都有一个。

无序的岩石晶体与它们的近亲具有相同的有序结构，但根本不会将离子塞进该结构的每一个可能的位置。缺少离子的确切位置可能会有所不同，这就是为什么它们被称为无序的-它们的概念结构非常有序，但它的填充有些混乱。

那么，这和电池有什么关系呢？无序的岩盐可以形成，其中一些空隙被锂离子填满。而且它有可能将一些额外的锂离子填充到晶体内的斑点中，否则这些斑点可能会以无序的形式空置。

在这项工作中，美国的一个大型合作项目使用了一种由锂、钒和氧的混合物制成的材料。晶体框架具有式V2O5，其中加入了数量可变的锂离子。为了计算出到底有多少，研究人员制作了一些材料，并将其充放电。接下来，他们结合使用X射线和中子衍射以及电子显微镜对这种材料进行成像。他们还建立了充放电过程的动态化学模型。

正如预期的那样，充放电周期包括将锂离子移入和移出结构。在最大充电时，这种材料每单位V2O5可以容纳近5个锂离子。当锂完全排空时，每单位V2O5的锂离子降到略低于3个。关键的是，由于它符合一个非常有序的结构，添加的锂并没有太多改变它--它总共只膨胀了5.9%。

锂的装卸过程并不是将新离子固定到位的静态过程。相反，锂将优先占据晶体中的某些位置，但随着额外的锂离子进入并改变充电环境，锂将转移到其他位置。此外，钒离子在此过程中也会改变其氧化状态。

这种电荷转移的有趣之处在于，把一些电荷拿回来是非常容易的。当研究人员用它制造电池时，他们发现大约40%的总容量可以在20秒内放电。而且总容量只比使用纯锂金属电极的电池的报告容量略低。

最好的是，它是稳定的。经过1000次充放电循环--相当于将近三年的每日充电--它仍然有原来87%的容量。他们已经发送了一台通过6000次循环，发现它还在工作。

目前这种材料的最大问题是，LiXV2O5材料的导电性不好，这意味着收集功能电池所需的电荷的工作效率不是很高。研究人员建议，要么在材料中掺入更具导电性的物质，要么用某种导电材料破坏岩盐。

但与许多被认为是电池电极的替代材料所面临的挑战相比，这似乎是一个较小的挑战。当然，当试图弄清楚如何规模化生产这样的东西时，可能会出现其他问题。但初步结果表明，毫无疑问，有人会试图找出这些问题可能是什么。