釕氧化物鋰電池系統的三個階段反應途徑綜述
鋰離子電池幾乎給所有的日常便攜式電子產品充電，包括智能手機，相機，玩具，甚至是電力車。全球的研究人員都在尋找安全，廉價，持久并且強大的鋰電池材料。
工作在不同美國能源部光源設施和劍橋及石溪大學的一組研究人員近期研究了一類鋰離子電池的電極，這比目前其它電池的容量都大很多。研究人員希望確定為什么這些材料能儲存比理論估計還要多很多的電量。
作者選擇氧化釕(RuO2)作為模型系統,研究這些所謂的“轉換材料,” 命名是因為當和鋰離子反應的時候會發生很大的結構變化，可逆化形成金屬納米顆粒和鹽（這里指Ru和Li2O）。這和傳統的反應非常不一樣，它允許鋰離子在晶格內的空間中儲存電量。
“我們調查發現RuO2額外容量的來源。也因此產生了研究在電池電極‘鈍化層’的方案，這保護電極不會繼續在充放電過程中發生分解反應。”Clare Grey，一個在劍橋和石溪大學的教授，這項研究對應的研究人如是說。理解這些鈍化層的結構是制造應用于運輸或者電網存儲足夠持久電池的關鍵。
在布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源，該小組利用X射線吸收近邊結構（XANES）和擴展X射線吸收精細結構（EXAFS）研究了他們的樣品。在先進光子源，阿貢國家實驗室，他們用兩個額外的技術，高分辨率X射線衍射（XRD）和散射對分布函數（PDF）的分析，去獲得當電池充放電過程中，電子與長/短范圍RuO2電極結構變化的實時信息。用這種方法，這個團隊展示了RuO2通過LixRuO2的形成，被還原成了Ru納米顆粒和Li2O。
因為這并不能解釋額外的電量儲存機制的來源，該小組用了另一種技術：高分辨率固態核磁共振（NMR）。此方法給樣品施加磁場比國內測量樣品中原子核的反應。這可以得到化學成分和局部結構的特殊信息，并且對于研究只包含“輕”元素的研究中非常有用，這些元素例如氫，鋰和氧是很難在XRD中檢測出來的。NMR數據顯示主要對容量產生作用的是LiOH的形成，這可逆變成Li2O和LiH。小部分作用來自在Ru納米顆粒表面Li的儲存，形成LixRu合金以及電解質的分解。然而后者，最終導致電容量的減少并且會導致多次充電循環后電池失效。
