高熵氧化物材料可提高蓄电池的储存容量和循环稳定性

高熵氧化物(HEO)材料可显著提高蓄电池的储存容量和循环稳定性。这种材料原子无序分布的特点决定了其具备很高的稳定性。卡尔斯鲁厄技术研究所(KIT)的纳米技术专家霍斯特·哈恩(HorstHahn)团队经研究发现，使用HEO可以为电极定制独特的电化学性能。这些研究人员将他们的成果发表在“自然通讯”杂志上。

可持续能源供应体系需要可靠的能量储存系统。近几年里，社会上对用在固定和移动应用领域的可充电电化学储能装置的需求迅速增长，并且预计未来还会继续保持增长的状态。电池最重要的性能指标是储存容量和循环稳定性，即在不丧失储存容量的前提下保持高的充放电次数。一种全新的被称为高熵氧化物(HEO)的材料因为具有极高的稳定性，有望用来改进电池性能。此外，可以通过改变HEO的组成来定制它们的电化学性能，能够满足一些特殊的使用需求。卡尔斯鲁厄纳米技术研究所(INT)和卡尔斯鲁厄微纳实验室(KNMF)、卡尔斯鲁厄与赫尔姆霍兹(ULM)大学联合建立的赫尔姆霍兹研究所(HIU)、马德拉斯印度理工学院的科学家首次证明了HEO可以作为可逆锂储能材料。基于电化学材料转化的可转化电池能够在减少电池重量的同时增加储能量。科学家们使用HEO来制造转化电极，这种电极在500多个充电周期后仍然可以继续使用，并且电池容量没有明显降低。

INT主任霍斯特·哈恩教授的纳米材料小组是研究高熵氧化物的领先团队之一。虽然科学家们发现这种新材料的时间仅有几年，并且该材料目前仍然罕见，但是他们已经出版了几本相关的刊物。HEO的特殊性质是熵稳定导致的结果，它们的性能可以与已知的高熵合金相媲美。熵稳定状态的HEO是一种复合氧化物，含有5种或5种以上不同数量的不同金属离子，具有单相晶体结构。虽然这些元素的典型晶体结构差别很大，但它们形成了一种联合晶格，并且在晶体中的位置没有任何明显的有序性。这种无序也被称为高熵，可能是因为它阻碍了晶格中缺陷的迁移，所以能够保持材料的高稳定性。

霍斯特·哈恩教授表示：“HEO具有高稳定性、存在不同金属离子之间的相互作用、大量可行的元素组合，为实际应用开辟了新的机会。”《自然通讯》上发表的文章表明，该研究小组的工作重点在基于过渡金属(TM-HEO)的HEO上，这类金属具有很高的锂离子电导率。他们利用透射电子显微镜(TEM)研究了TM-HEO的结构及其对转化反应的影响。他们发现去除一种元素只会降低熵，而且会对电池循环的稳定性产生不利影响。由于每种元素都会影响TM-HEO的电化学行为，因此可以根据不同的应用量身定做材料。他们的研究结果为电极材料的系统开发提供了一种模块化的方法。霍斯特·哈恩表示：“我们的研究表明，熵稳定的HEO与经典的转化材料有很大的不同。然而，还需要进行更深入的研究才能充分发挥HEO在储能应用领域的潜力。”