這一成果已發(fā)表在Nano Letters，此文顛覆了人們對材質缺陷的傳統(tǒng)看法。Reza Shahbazian-Yassar協(xié)助領導了本項研究，并同密西根科技大學和納米技術方向的副教授Richard和材料科學與工程副教授Elizabeth Henes進行聯(lián)合研究。Anmin Nie是團隊中的一名高級博士后研究員，做了本項研究的主要工作。
Nie說：包括雙邊界在內(nèi)的材料缺陷都是天然的，而過去的研究主要想克服這些缺陷。
我們通過觀察電池材料的納米結構，發(fā)現(xiàn)了一些材料缺陷如雙邊界，可以是一個很好的高速鋰離子傳輸通道。鋰離子移動的快慢是電池性能好壞的關鍵因素，移動越快，電池性能越好。
鋰離子電池是如何工作的？
Shahbazian-Yassar說道：我們身邊電子產(chǎn)品主要靠電池供電。過去幾年里，研究人員將注意力主要集中在可充電電池上，尤其是鋰離子電池。
這是因為鋰電池質量輕，能量密度高，能量效率也高。類似于堿性電池，鋰電池的運行依賴于鋰離子從一極到另一極的運動。用專業(yè)術語來說，也就是陽極和陰極之間的游動，從而產(chǎn)生了電流。電池電量低也就意味著陽極和陰極之間的離子交換變少了，而雙邊界效應有助于鋰離子的交換，從而延長電池壽命。
雙邊界基本上是鏡像，是映射另一面的原子排列面。它們往往是材料中一個原子轉移到另一個位置的結果。
Nie對這種雙邊界效應的解釋是，這種邊界一定程度上是一種弱點。在沒有原子排列圖的情況下，一些人認為電極材料的結構是完美的；但是當你在原子尺度上觀察時，就會發(fā)現(xiàn)這些原子都在同一平面內(nèi)且是對稱的。
雖然是材質缺陷，但同時，這種對稱性也為鋰離子傳輸?shù)奶峁┝藗鬏斁€路。Shahbazian-Yassar和他的團隊在去年秋天得到了美國國家科學基金會材料研究部的資助，用于研究將雙邊界作為鋰離子傳輸通道。
鋰電池的空間就如同擁擠城市里面的狹窄街道，而鋰離子就如同狹窄街道上開動的汽車。Shahbazian-Yassar說道：晶體內(nèi)的可利用空間是鋰離子進進出出電極的地方。如果發(fā)生了車禍，道路就會堵塞，使得汽車不容易通過，這個道理對電池中的鋰離子也適用。
鋰離子需要開闊的道路，以便能在電極之間穿梭。任何妨礙離子運動的行為，都會減少電池能量或者導致電池功率的降低。
本研究小組研究了錫氧化物中的雙邊界。但Shahbazian-Yassar說：這種效應在其它電池材料中也適用。下一步的研究就是如何最大化將雙邊界結構的數(shù)量和利用材質缺陷這兩方面整合起來。找到平衡是研究工作的關鍵一步，而對于雙邊界認識的新突破則是提高鋰離子電池性能的基礎工作。