用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)和能量色散X射線能譜(EDX)對活性物質進行了研究

高熵氧化物(HEO)材料可顯著提高蓄電池的儲存容量和循環(huán)穩(wěn)定性。這種材料原子無序分布的特點決定了其具備很高的穩(wěn)定性。卡爾斯魯厄技術研究所(KIT)的納米技術專家霍斯特·哈恩(HorstHahn)團隊經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使用HEO可以為電極定制獨特的電化學性能。這些研究人員將他們的成果發(fā)表在“自然通訊”雜志上。

可持續(xù)能源供應體系要可靠的能量儲存系統(tǒng)。近幾年里，社會上對用在固定和移動應用領域的可充電電化學儲能裝置的需求迅速上升，并且預計未來還會繼續(xù)保持上升的狀態(tài)。電池最重要的性能指標是儲存容量和循環(huán)穩(wěn)定性，即在不喪失儲存容量的前提下保持高的充放電次數(shù)。一種全新的被稱為高熵氧化物(HEO)的材料因為具有極高的穩(wěn)定性，有望用來改進電池性能。此外，可以通過改變HEO的組成來定制它們的電化學性能，能夠滿足一些特殊的使用需求。卡爾斯魯厄納米技術研究所(INT)和卡爾斯魯厄微納實驗室(KNMF)、卡爾斯魯厄與赫爾姆霍茲(ULM)大學聯(lián)合建立的赫爾姆霍茲研究所(HIU)、馬德拉斯印度理工學院的科學家首次證明了HEO可以作為可逆鋰儲能材料。基于電化學材料轉化的可轉化電池能夠在減少電池重量的同時新增儲能量。科學家們使用HEO來制造轉化電極，這種電極在500多個充電周期后仍然可以繼續(xù)使用，并且電池容量沒有明顯降低。

INT主任霍斯特·哈恩教授的納米材料小組是研究高熵氧化物的領先團隊之一。雖然科學家們發(fā)現(xiàn)這種新材料的時間僅有幾年，并且該材料目前仍然罕見，但是他們已經(jīng)出版了幾本相關的刊物。HEO的特殊性質是熵穩(wěn)定導致的結果，它們的性能可以與已知的高熵合金相媲美。熵穩(wěn)定狀態(tài)的HEO是一種復合氧化物，含有5種或5種以上不同數(shù)量的不同金屬離子，具有單相晶體結構。雖然這些元素的典型晶體結構差別很大，但它們形成了一種聯(lián)合晶格，并且在晶體中的位置沒有任何明顯的有序性。這種無序也被稱為高熵，可能是因為它阻礙了晶格中缺陷的遷移，所以能夠保持材料的高穩(wěn)定性。

霍斯特·哈恩教授表示：“HEO具有高穩(wěn)定性、存在不同金屬離子之間的相互用途、大量可行的元素組合，為實際應用開辟了新的機會。”《自然通訊》上發(fā)表的文章表明，該研究小組的工作重點在基于過渡金屬(TM-HEO)的HEO上，這類金屬具有很高的鋰離子電導率。他們利用透射電子顯微鏡(TEM)研究了TM-HEO的結構及其對轉化反應的影響。他們發(fā)現(xiàn)去除一種元素只會降低熵，而且會對電池循環(huán)的穩(wěn)定性出現(xiàn)不利影響。由于每種元素都會影響TM-HEO的電化學行為，因此可以根據(jù)不同的應用量身定做材料。他們的研究結果為電極材料的系統(tǒng)開發(fā)供應了一種模塊化的方法。霍斯特·哈恩表示：“我們的研究表明，熵穩(wěn)定的HEO與經(jīng)典的轉化材料有很大的不同。然而，還要進行更深入的研究才能充分發(fā)揮HEO在儲能應用領域的潛力。”