2020年2月7日，bevictor伟德官网電機系曾嵘教授課題組合作在《科學》(Science)雜志社旗下子刊《科學·進展》(Science Advances)上在線發表題為《晶格氧氧化還原反應與電極性能衰減的解構》(Dissociate lattice oxygen redox reactions from capacity and voltage drops of battery electrodes)的研究論文，闡釋了锂/鈉離子電池材料中有關氧元素氧化還原反應這一新機理。

當前，儲能系統是解決可再生能源時空不協調問題、實現可再生能源在電力網絡大規模應用的關鍵手段；其中，以锂/鈉離子電池為代表的電化學儲能因其在靈活性和轉換效率方面的優勢而成為儲能技術發展的重要方向。在現有的锂/鈉離子電池中，過渡金屬氧化物（如钴酸锂、錳酸鈉、磷酸鐵锂、鎳錳钴三元材料等）是應用最廣泛的正極材料，目前仍是電池儲存容量和循環壽命的瓶頸。

在傳統概念上，隻有過渡金屬（鎳、钴、鐵、錳等）參與電池正極材料的充放電過程，過渡金屬元素的氧化還原反應決定了正極材料的電化學性能；盡管氧元素也在電池充放電過程中活動，但大多表現為“不可逆”的化學反應，這些“不可逆”反應大多發生于材料表面，且常引起電池性能的衰減。然而，近幾年以來，随着研究方法和技術不斷提高，這一傳統認知正逐步被颠覆，即：體相晶格内的氧原子也可以“可逆”的形式參與電池充放電循環——這意味着，正極材料的容量将有望突破現有的理論限制而得到大幅度提升！

值得關注的是，由于正極材料在電化學循環過程中，“可逆”與“不可逆”的氧元素氧化還原過程是并行的，因此很難被區别研究。這在科學上限制了對氧元素氧化還原反應機理的基礎認知，及其對電池性能影響的客觀判斷；在技術上也阻礙了對該新型反應機理的有效調控和實際應用。

對此，該研究團隊利用基于共振非彈性X射線散射圖譜技術(mapping of Resonant Inelastic X-ray Scattering, mRIXS)，建立了對锂/鈉離子電池電極材料晶格氧元素氧化還原反應進行量化表征的方法。mRIXS是一種新興的、基于同步輻射光源的光譜表征技術，是研究物質電子結構最強有力的工具之一。将mRIXS應用于電池電極材料的表征，可精準探測不同氧化還原态下的晶格氧電子态，從而量化追朔晶格氧在電化學循環中的演進過程。

該研究工作為進一步探究氧元素氧化還原反應的機理、推動研發應用進程奠定了科學基礎。斯坦福大學博士後研究員吳錦鵬（bevictor伟德官网電機系2015屆博士校友）是該論文第一作者，曾嵘教授與勞倫斯伯克利國家實驗室Wanli Yang研究員、斯坦福大學Zhi-Xun Shen教授、中科院物理所李慶浩助理研究員為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃基金和美國能源署基礎能源科學基金支持。

論文鍊接：https://advances.sciencemag.org/content/6/6/eaaw3871/