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小小一節(jié)電池卻藏著難倒科學(xué)家的問(wèn)題如何提高電池的容量？如何增加電池的壽命，同時(shí)降低成本？這是科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和全社會(huì)公共關(guān)注的問(wèn)題國(guó)際頂級(jí)期刊Cell的姊妹刊十幾個(gè)單位合作東北大學(xué)為論文第一單位采用世界首個(gè)超高效率共振非彈性X射線散射全譜圖東北大學(xué)的他，給出了答案！東北大學(xué)冶金學(xué)院代克化副教授與來(lái)自十幾個(gè)單位的研究人員合作，在影響高容量鋰/鈉離子電池正極材料循環(huán)壽命的關(guān)鍵問(wèn)題上取得重要理論突破。12月12日，該項(xiàng)成果在線發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Cell的姊妹刊Joule上，東北大學(xué)為論文第一單位。這一研究將為人們進(jìn)一步開發(fā)高容量、長(zhǎng)壽命的新型二次電池正極材料提供方向性理論依據(jù)。作者代克化東北大學(xué)冶金學(xué)院副教授個(gè)人簡(jiǎn)介代克化，2008年7月畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，先后獲理學(xué)學(xué)士、博士學(xué)位；2008年至今任東北大學(xué)冶金學(xué)院副教授；2013年1月至2014年6月和2016年9月至2018年9月在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行訪問(wèn)研究。主要研究領(lǐng)域?yàn)殇囯x子和鈉離子電池正負(fù)極材料，同步輻射X射線譜學(xué)。先后在能源、材料及電化學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)刊物如Joule、Energy & Environmental Science、JACS、Nano Energy等期刊上發(fā)表多篇文章。代克化在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)劉杲美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室終身研究員楊萬(wàn)里美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室終身研究員論文部分作者合影研究背景當(dāng)前，人們迫切希望可充電電池具有更高容量、更長(zhǎng)壽命和更低成本。在鋰離子電池和新興的鈉離子電池的主要組成部分中，以過(guò)渡金屬氧化物為主的正極材料是提高能量密度的主要制約因素。如何提高正極材料的容量是當(dāng)今科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界和全社會(huì)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。在電池充放電過(guò)程中，隨著電流的發(fā)生，電池內(nèi)部也在發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)，這些反應(yīng)是影響電池容量的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的正極材料，只有金屬離子發(fā)生這樣的反應(yīng)。近些年的研究則發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)新的材料，激活其中的氧元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以額外獲得一倍以上的容量，從而有望大幅提高電池的能量密度。但是這種新的化學(xué)反應(yīng)上空還漂浮著一朵致命的“烏云”，這就是反應(yīng)的可逆性。反應(yīng)必須高度可逆，電池才能在大幅提高容量的同時(shí)擁有長(zhǎng)壽命。此前一些研究學(xué)者認(rèn)為只有昂貴的釕、銥等元素氧化物才可以實(shí)現(xiàn)氧的可逆反應(yīng)，這就必然大幅度提高電池成本；還有一些學(xué)者認(rèn)為氧反應(yīng)從根本上難以實(shí)現(xiàn)可逆，所以應(yīng)該抑制它來(lái)提高正極材料循環(huán)壽命。因此，對(duì)低造價(jià)（不含四五周期金屬元素）過(guò)渡金屬氧化物中晶格氧的氧化還原反應(yīng)可逆性的確切、可靠、定量的分析成為當(dāng)下至關(guān)重要的焦點(diǎn)問(wèn)題。研究示意圖研究示意圖研究成果所使用的電池測(cè)試設(shè)備針對(duì)上述迫切的問(wèn)題，本研究采用世界首個(gè)超高效率共振非彈性X射線散射全譜圖(mRIXS)實(shí)現(xiàn)了晶格氧反應(yīng)可逆性和循環(huán)保持率的可靠定量，以及對(duì)于體相金屬陽(yáng)離子反應(yīng)的直接定量分析。研究通過(guò)可靠的定量表征，澄清了之前對(duì)第三周期過(guò)渡金屬氧化物（3d TM-O）中晶格氧反應(yīng)可逆性的模糊認(rèn)識(shí)，表明在廉價(jià)的3d TM-O中實(shí)現(xiàn)高度可逆且穩(wěn)定循環(huán)的晶格氧反應(yīng)是可行的。這樣，在關(guān)鍵的“十字路口”上，本研究為繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)高容量電池正極材料指出了正確可行的方向，具有極為重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。進(jìn)行同步輻射測(cè)試的工作原理示意圖進(jìn)行同步輻射測(cè)試的實(shí)驗(yàn)站示意圖進(jìn)行同步輻射測(cè)試的實(shí)驗(yàn)站相關(guān)論文信息原文刊載于Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊Joule（《焦耳》）。Joule是全世界最權(quán)威的學(xué)術(shù)雜志之一《細(xì)胞》（Cell）雜志的姊妹刊，主要發(fā)表能源領(lǐng)域中的最新研究發(fā)現(xiàn)和科研進(jìn)展。涉及電池、催化、太陽(yáng)能、生物能源、熱傳遞等相關(guān)領(lǐng)域。論文標(biāo)題：（點(diǎn)擊可查看原文）High Reversibility of Lattice Oxygen Redox Quantified by Direct Bulk Probes of both Anionic and Cationic Redox Reactions論文網(wǎng)址：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30563-4DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.11.014相關(guān)報(bào)道CellPress細(xì)胞科學(xué)X-MOL資訊來(lái)源 | CellPress細(xì)胞科學(xué)、X一MOL資訊、冶金學(xué)院編輯 | 席書燕 候佳鈺 董慧責(zé)編 |趙春時(shí)王延邦 周洛琦?如果你喜歡這篇文章，歡迎點(diǎn)贊并分享到朋友圈?投稿&加入我們neuxcbtg@163.com推薦閱讀?新的一年，校園網(wǎng)免費(fèi)了？別著急，*不止這一個(gè)！?再見2018，你好2019！快來(lái)抽取你的新年幸運(yùn)簽?【你還記得嗎？】2018年，我在東大認(rèn)識(shí)了TA!↓↓↓為東北大學(xué)，請(qǐng)點(diǎn)贊?。?！