科学家证实了一项关于高性能电池化学的百年猜测

科学家们发现了锰元素的新化学状态。大约90年前首次提出的这种化学状态使得高性能，低成本的钠离子电池能够快速有效地存储和分配太阳能电池板和风力涡轮机产生的电能。

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电池创新提供新的探索途径。

能源部劳伦斯伯克利实验室(伯克利实验室)的X射线实验是这一发现的关键。研究结果于2月28日在Nature Communications杂志上发表。

伯克利实验室和纽约大学的科学家参加了这项研究，该研究由Natron Energy的研究人员领导，该公司前身为加利福尼亚州帕洛阿尔托的电池技术公司Alveo Energy。

Natron Energy为研究提供的电池采用了非常规的阳极设计，阳极是其两个电极之一。与锂离子电池中使用的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多种元素组成 – 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。

“通常，在锂离子和钠离子电池中，阳极通常是碳基电池，”伯克利实验室高级光源的工作人员科学家杨万利说，这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，这些元素在化学中是有用的，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基于相同类型材料中过渡金属的化学性质，”他补充说，阴极中含有铁，阳极中含有特殊的锰化学物质。

“将这些材料用于电池中的两个电极的直接好处之一是，两个电极都不会从根本上限制设备的功率容量，循环寿命或成本，”Natron Energy首席执行官Colin Wessells说。研究人员在其最新研究报告中称，该电池的性能优于能源部的电网规模储能的循环寿命和价格目标。

Wessells指出，电池非常稳定，材料丰富，总体成本与传统铅酸电池相比具有竞争力，并且其环境足迹比传统电池小。

该电池已经证明可以在非常快速的5分钟放电中提供高达90%的总能量，并且在1000次循环中保持约95%的放电容量。它为电网提供了基于重力的储能系统的替代方案，其中水被上坡泵送，然后根据需要下坡释放以发电。

然而，电池如何实现其高性能让研究人员感到困惑。

可以追溯到1928年德语期刊文章，人们猜测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会失去一个电子。这是不寻常的，因为通常已知锰原子在化学反应中放弃两个或更多个电子，或者不释放电子，但不仅仅是一个。

这种新颖的化学状态将使电压范围对电池阳极有用。但是没有任何测量证实这种单价锰。

Natron Energy的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，然后提供了一些样品电池，供ALS研究。

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注意到了(另一种形式)的暗示，并且不得不在很大程度上依赖理论来推测不同的状态，”执行理论计算的纽约大学的Andrew Wray说。

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针，在电池的充电和放电循环期间显示出电子的明显对比。

“一个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，”这就是为什么它在这么多年里很难被发现的原因。

Wray补充道，“对RIXS结果的分析不仅证实了锰1+的状态;它还表明产生这种状态的特殊情况使得电子更容易在材料中传播。这可能是为什么这种不寻常的原因。电池电极表现良好。“

Wessells指出，基于实验室测试的电池的商业原型在今年早些时候进入了客户beta测试阶段。除了电网应用，Natron Energy还在推动数据中心应急电源技术，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激发新型电池电极的其他研发。他说：“电池的运行可能会导致我们传统思维中不存在的非典型化学状态的出现。这种基本的理解可能引发其他新颖的设计，并且在电极材料上超越我们的传统智慧。”

“这项研究就像一个完美的一揽子计划，结合了行业，实验室和大学的贡献，”杨说。

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