科学家们提出了一系列制造新的无序材料的规则，这个过程曾经是由试错所驱动的。他们还发现了一种掺入氟的方法，这使得材料更加稳定并具有更高的容量。

如今的锂离子电池是在很久以前发明的，无法实现更高的效率。现在，能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的研究人员，报道了使用所谓的“无序”材料制造阴极的重大进展，这是一种非常有前景的新型锂电池。

本月发表于《自然通讯》 与《物理评论信》（PRL）的一系列文章中，由Gerbrand Ceder领导的科研团队提出了一系列制造新的无序材料的规则，这一过程曾经经历了反复试验。他们还发现了一种掺入氟的方法，这使得材料更加稳定并具有更高的容量。

加州大学伯克利分校材料科学和工程系教师，伯克利实验室高级科学家Ceder说：“这似乎是制造高能量密度阴极的一个有趣的新方向。令人惊奇的是，迄今为止人们发现的所有无序的岩盐都具有非常高的电池容量。在PRL论文中，我们提供了如何更系统地制作这些材料的指南。”

无序的优势

锂电池中的阴极材料通常是“有序的”，这意味着锂和过渡金属原子按层整齐排布，使得锂能够进出层。几年前，Ceder的团队发现，某些类型的无序材料可以储存更多的锂，给电池提供更高的容量。

PRL论文“过渡金属氧化物中的阳离子紊乱的电子结构起源”的主要作者是伯克利实验室博士后研究员Alexander Urban。

Urban说：“尽管它们有诱人的特性，但新的无序材料的发现主要受到反复尝试的驱动，并依靠人们的直觉进行摸索。现在我们首次确定了一个简单的设计标准来预测新的无序组合。新的理解建立了化学物质、晶体结构的局部畸变和形成无序相的趋势之间的关系。

使用无序材料的另一个优点是能够避免使用钴，因为钴不仅资源有限，而且世界上一半以上的钴来自政治不稳定国家。通过转向无序的岩盐，电池设计者可以自由使用更广泛的化学物质。例如，使用铬、钛和钼制成无序材料。

Ceder说：“我们希望能够拥有更多的组成自由，这样我们可以调整其他参数。有很多属性要优化——电压、长期稳定性、是否易于合成，电池材料进入商业阶段有太多的路要走，现在我们知道了如何制作这些材料。”

为什么以及如何氟化电池

《自然通讯》（Nature Communications）的文章“减少氧气损失以改善高容量阳离子无序阴极材料的循环性能”报道了锂离子电池的另一个重大进步，这表明与其它电池材料不同，无序材料可以被氟化。氟化具有两个优点：更多的容量并使材料更稳定。在电池中，稳定性的增加意味着设备具有较长循环寿命并且不太可能着火。

本文的主要作者Jinhyuk Lee，曾经是伯克利实验室研究员，他与伯克利实验室的高级光源（ALS）研究组的科学家合作，这种光源是原位实验X射线束的来源。 Ceder说：“ALS对于我们理解提高容量的机制非常重要。很酷的是，您可以在运行时观察电池，并观察阴极的电子结构，从而了解电池如何充电和放电以及电子的去向，这是电荷存储的关键方面。”

ALS科学家Shawn Sallis、 Wanli Yang、Berkeley Lab的Bryan McCloskey之间进行了大量的合作。“他的团队对于显示这些材料更加稳定，不会失去氧至关重要，”Ceder说。

既然他们已经证实了这一概念，Ceder计划通过尝试为材料添加更多的氟来进行跟进。

Ceder说：“新型阴极材料是锂离子电池最热的方向，这个领域有点停滞了。为了在能量储存上获得更多的改进，只有几个方向可走。一个是固态电池，另一个是不断提高电极材料的能量密度，这两方面互不排斥。这个研究路线绝对还没有到尽头。”