2026年9月2日，博伊西州立大学美光材料科学与工程学院教授Claire Xiong领导的一项由美国国家科学基金会资助为期三年的新研究。这项研究把实验材料科学、国家实验室合作和机器学习结合起来，试图回答一个看似简单的问题：当电池材料被充电和放电时，原子之间究竟发生了什么？
△Claire Xiong教授团队研究的亚稳态电池材料结构示意图
一种新的电池方案
每当有人给电动汽车充电、给笔记本电脑供电或在热浪期间从电网取电时，都依赖电池安全地储存和输送能量。传统电极材料通过固相合成法制备，通常需要高温才能使原子形成稳定有序的晶体结构。但问题是：随着电池能量和功率不断提高，稳定性却越来越差。Claire Xiong说：“挑战在于，随着电池能量和功率不断提高，它们的稳定性却越来越差。这是每位电池工程师都深有体会的难题。”
她的实验室没有依赖热能，而是利用电池充放电过程中的电化学循环，将材料从无序的“非晶态”结构转变为晶体结构，制造出科学家所谓的“亚稳态”材料——结构处于真正的热力学平衡之外，却拥有独特且可能增强的功能特性。Claire Xiong说：“包括我实验室在内的先前研究表明，电化学循环可能为获得新型结构和框架提供一种新的合成途径。”
Claire Xiong教授
为什么选择金属氧化物
项目的研究材料集中在二氧化钛、二氧化铌、二氧化钽及相关混合氧化物上。理论和模型预测，这三种体系具有形成亚稳态岩盐相的巨大潜力。Claire Xiong的团队将与坦普尔大学的联合首席研究员Marcos del Rosario合作，运用机器学习和第一性原理模拟来补充实验。这些模拟可以计算氧化物中原子和电子的排列方式，使研究人员在实验室合成之前就能预测哪些材料可能会形成亚稳相。Claire Xiong表示：“机器学习和第一性原理模拟可以补充实验，以阐明电化学驱动的非晶态到晶态转变的机制，例如动力学路径、驱动力和离子效应。”
三所国家实验室助力，瞄准“按需合成”
这一最新研究项目建立在Claire Xiong此前获得NSF职业发展奖的基础上，并依托与布鲁克海文国家实验室、橡树岭国家实验室和阿贡国家实验室的合作。Claire Xiong指出，这种合作模式让她能获得大学实验室难以企及的工具和技术。Claire Xiong表示：“可充电电池电极材料的研究将化学、材料设计、电化学和工程学结合起来，以应对储能领域的重要挑战。”
如果成功，项目将找到一种新的合成方法，用于制造充电速度更快、电池寿命更长、容量更高的电极材料。Claire Xiong的实验室此前已通过电化学诱导非晶态到晶态转变技术，将非晶氧化铌转化为新型晶态Nb₂O₅负极，在20 mA/g充电速率下实现269 mAh/g的高储锂容量，在1 A/g高充电速率下仍保持191 mAh/g容量。Claire Xiong补充道：“我们有一项类似的概念正在申请美国专利。如果成功，我们将找到一种新的合成方法，用于制造充电速度更快、电池寿命更长、容量更高的电极材料，所有这些优点都将得以实现。最终，我希望这项工作能够为‘按需合成’框架奠定基础，使我们能够从原子层面系统地设计电池材料，以满足未来十年高性能储能系统的需求。”
总的来说，Claire Xiong团队做的是“用电池制造电池”。锂离子电池最大的矛盾之一是：能量密度越高，越容易在反复充放电中失去稳定性。传统思路是找更稳定的材料，而他们反过来利用充放电本身去“培育”出新材料。目前的挑战在于如何精确控制这种转变的方向和程度，这正是机器学习和第一性原理模拟要解决的问题。这跟3D打印的逻辑其实很像，都是一种“加法制造”，只不过前者造的是电池结构，后者造的是能量存储的原子排列本身。
来源：南极熊
0 留言