隨著對智能手機，電動汽車和可再生能源的需求持續增長，研究人員正在尋找改進鋰離子電池的方法。鋰離子電池是家用電子產品中最常見的電池類型，也是存儲電網規模能源的潛在方式。布魯克海文國家實驗室的一個科學家小組已經找到了一種提高鋰離子電池能量密度的方法，這可以使電池更耐用，并擴大風能和太陽能的使用。該團隊研發出一種能夠使鋰離子電池電極能量密度增加三倍的陰極材料。

“鋰離子電池由陽極和陰極組成，”該團隊的首席科學家秀林秀說。“陰極材料一直是進一步提高鋰離子電池能量密度的瓶頸。”

該團隊合成了一種新的陰極材料，一種改性形式的三氟化鐵(FeF3)，由鐵和氟組成，價格低廉且環境友好，已知其本身具有比傳統陰極材料更高的容量。通常用于鋰離子電池的材料基于插層化學；雖然有效，但它只傳輸單個電子，從而限制了陰極。然而，諸如FeF3的化合物可以通過稱為轉化反應的更復雜的反應機理轉移幾個電子。

盡管FeF3具有增加陰極容量的潛力，但該化合物在過去由于其轉化反應的三個并發癥而在鋰離子電池中效果不佳：能效差(滯后)，反應速度慢，以及副反應可以降低其騎行壽命。為了克服這些挑戰，科學家們通過稱為化學替代的過程將鈷和氧原子添加到FeF3納米棒中。這讓科學家們操縱反應途徑，使其更具“可逆性”。

用氧和鈷代替陰極材料可防止鋰破壞化學鍵并保留材料的結構。

當鋰離子插入FeF3時，該材料轉化為鐵和氟化鋰。但是，反應不是完全可逆的。但是，在用鈷和氧取代后，反應變得更加可逆。

為了研究反應途徑，科學家們進行了幾項實驗。首先，他們使用強大的電子束和稱為透射電子顯微鏡(TEM)的技術，以0.1納米的分辨率觀察FeF3納米棒。這讓研究人員確定陰極中納米顆粒的確切尺寸，并分析陰極在充放電過程的不同階段如何變化。他們在替代納米棒中看到了更快的反應。

“TEM是一種用于表征非常小長度材料的強大工具，它還可以實時研究反應過程，”該團隊的科學家董蘇說，“但是，我們只能使用TEM看到樣品的有限區域。我們需要同步加速器技術來了解整個電池的功能。”

因此，該團隊通過陰極材料發送了超亮X射線。通過分析光散射的方式，團隊可以發現有關材料結構的其他信息。進一步的分析表明，該團隊的化學替代促進了電化學的可逆性。

研究人員還進行了基于密度泛函理論的先進計算方法，以破解原子尺度的反應機制。這表明化學取代通過減小鐵的粒徑和穩定巖鹽相而將反應轉變為高度可逆的狀態。該研究策略可應用于其他高能轉換材料并改進其他類型的電池。