科學家們開發出了高性能的鋰離子和鈉離子電池陽極，這些陽極具有極高的充電速度和穩定性。這項創新可能導致更安全且壽命更長的能源儲存系統。德國漢堡大學的研究人員揭示，傳統的能源材料依賴於高度有序的晶體結構，以提供可預測的離子運輸通道。然而，這種完美的結構往往伴隨著結構的剛性，離子運動的限制，以及在高充電速率下的性能不佳。這些限制使得科學家們尋求新的方法來改善電池的性能。
在最近發表於《Nature Communications》和《Advanced Materials》的兩項研究中，研究人員指出，針對性的不規則性——而非有序性——可以增強離子導電性、提高循環穩定性，並解鎖電池的新儲存機制。漢堡大學化學系的尼古拉·皮納教授表示：「我們的結果顯示，針對性的不完美可以成為材料設計中的強大工具。」此外，漢堡大學化學系的帕特里夏·魯索博士也指出：「通過故意破壞原子有序性，我們正在開啟全新的可能性，以製造出更強大、更持久且更可持續的高性能電池。」
該團隊的研究方法突破了傳統設計規則，可能重新定義材料設計策略。研究團隊通過在鉭鈦氧化物中引入結構無序性以及在鐵鈮酸鹽中控制非晶化，開發了新的材料，這些材料可用於更強大且壽命更長的電池。根據新聞稿的說法，已經為鋰離子電池生產出一種特別耐用的材料。
研究人員表示，即使經過1,000次充電循環，原始性能的很大一部分仍然得以保留。此外，還開發了一種新型材料，適用於鈉離子電池，這是一種更環保的替代品。這種材料在首次充電時會發生顯著變化，但仍然保留重要結構，最終實現非常高的儲存容量和超過2,600次充電循環的長壽命，性能幾乎不變。這項研究首次報導了具有石榴石結構的高性能鈉儲存陽極的鐵鈮酸鹽。
根據研究，鐵的存在促使 FeO6 八面體局部結構的長程有序性喪失，隨後允許在非晶態中進行可逆的鈉儲存。研究人員進一步指出，在 NbO6 平面內形成的短程有序之鋸齒鏈結構創造了一個“骨架”，為偽電容性離子儲存和增強的離子擴散通道提供了豐富的活性位點。研究團隊還強調，無序的鋰陽極和非晶的鈉陽極的結合為超快充電的電動車、可再生能源的固定儲存解決方案以及安全替代舊有電池技術開闢了新的視角。這些研究突顯了原子設計原則在解決全球能源問題上的潛力。
