研究人員分別來自阿貢的四個部門：材料科學(xué)系、化學(xué)科學(xué)和工程系、數(shù)據(jù)科學(xué)和研究系、X射線科學(xué)系。材料科學(xué)系的博士后提名人Matthew Krogstad負(fù)責(zé)關(guān)鍵工作。通過同步加速器中心的高功率X射線束進(jìn)行研究，是取得成功的重要因素。

這一多學(xué)科合作項目通過新工具，探索“嵌入”過程中發(fā)生的事情。當(dāng)電池發(fā)電時，離子插入正極層體之間;接下來是“脫嵌”過程，當(dāng)電池充電時，從正極中提取相同的離子。傳統(tǒng)鋰離子電池就是通過這個過程工作的。為了尋找更好的正極材料，科學(xué)家們利用X射線和電子衍射，確定鋰離子或其他插入物如何形成長程有序結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)阻礙正極內(nèi)金屬離子的移動，影響金屬離子在循環(huán)過程中的提取和插入，降低了電池性能。

在本項目中，研究團(tuán)隊首先制備嵌入鈉離子的層狀氧化釩正極材料單晶。鈉儲量豐富且成本更低，因此鈉離子電池被認(rèn)為是鋰離子電池的替代品。三維“圖像”顯示，鈉離子在氧化釩原子的分離列中呈鋸齒形。當(dāng)溫度降到室溫以下時，晶體結(jié)構(gòu)中的原子變得更加有序化。在鈉電池中，離子會沿著這些鋸齒形通道擴(kuò)散。阿貢材料科學(xué)系的Raymond Osborn解釋說:“鋸齒狀裂痕越大，離子的遷移率就越高。離子遷移率越高，正極材料的性能越好。”

Rosenkranz表示:“通過這些發(fā)現(xiàn)，我們可以進(jìn)一步了解，有序-無序轉(zhuǎn)變?nèi)绾蜗拗柒c離子的移動。研究人員也可以通過測量結(jié)果來評估策略有效性，以減少不良影響，提高正極性能。我們的研究集中在鈉離子電池正極材料上，但是，這些方法也適用于研究其他眾多晶體材料。”