日本東北大學先進材料研究所（WPI-AIMR）的科學家們採用富錳氧化物來製造持久的陰極，並在鋰離子電池的循環性能上取得了重大突破。鋰離子電池是我們向電氣化經濟過渡的基石，從儲存來自太陽和風能的可再生能源，到為電動車提供長途無廢氣排放的動力，鋰離子電池無處不在。無論是微型可穿戴設備還是大型儲能裝置，鋰離子電池都在各種應用中發揮著重要作用。
然而，鋰離子電池的廣泛使用並非沒有問題。鈷是鋰離子電池設計中的重要組件，且價格相對昂貴。此外，鈷的開採過程存在不道德的採礦問題，使得對鋰離子電池的大規模使用產生了比解決更多環境問題。轉向錳可以成為改善此狀況的有效途徑。電池中的陰極和陽極是兩個電極，它們的性能決定了電池的長期運作表現。陰極的製造成本相對較高，將鈷替換為錳可以有效降低成本。
然而，過去在鋰離子電池中使用錳這一豐富元素的嘗試遭遇了嚴重問題。其中一個問題是雅恩-泰勒扭曲（Jahn-Teller distortions），這是一種非線性分子在空間上具有簡併電子基態時發生的幾何扭曲，旨在降低分子的整體能量。WPI-AIMR的研究人員採用「界面軌道工程」來解決困擾錳基電池發展數十年的結構挑戰。
界面軌道工程是什麼？過去為了解決錳離子中的JT扭曲，研究者們依賴掺雜或陰極的宏觀塗層。然而，日本團隊選擇從根本上解決問題，尋求在原子層面上對抗JT扭曲的解決方案。他們利用「軌道幾何挫折」在非共線界面上防止電子同時降低其能量，成功中和了導致材料崩潰的JT扭曲。
基於電子軌道拓撲的設計幫助實現幾乎完美的循環穩定性，研究人員在經過500個循環後並未觀察到陰極的劣化。更重要的是，這一技術也幫助研究人員架起了電化學與固態物理之間的橋樑，建立了一種新範式以抵抗扭曲的能源材料。
轉向錳這一豐富且低成本的鈷替代品，還確保使用此技術建造的鋰離子電池將會更便宜、耐用且環保。對於電動車等應用而言，這將轉化為更具價格競爭力的汽車定價以及可靠的電池範圍，同時不必擔心隨時間的劣化。在更大規模上，這些鋰-錳-氧化物電池將幫助儲存大量可再生能源，在需求高峰時供應，這將促進更清潔、更綠色的經濟，並降低成本。
鑒於錳的成本優勢，錳基氧化物還代表了鈉離子電池最具商業潛力的陰極材料，WPI-AIMR的教授Hao Li在新聞稿中指出。這為此技術的潛在應用開啟了新的可能性，隨著電池的演變，能夠利用地球上更豐富的資源。這項研究結果已發表在《美國化學學會期刊》中。
