高熵氧化物(HEO)材料可顯著提高蓄電池的儲(chǔ)存容量和循環(huán)穩(wěn)定性。這種材料原子無序分布的特點(diǎn)決定了其具備很高的穩(wěn)定性。卡爾斯魯厄技術(shù)研究所(KIT)的納米技術(shù)專家霍斯特·哈恩(Horst Hahn)團(tuán)隊(duì)經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，使用HEO可以為電極定制獨(dú)特的電化學(xué)性能。這些研究人員將他們的成果發(fā)表在“自然通訊”雜志上。

可持續(xù)能源供應(yīng)體系需要可靠的能量儲(chǔ)存系統(tǒng)。近幾年里，社會(huì)上對(duì)用在固定和移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的可充電電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的需求迅速增長，并且預(yù)計(jì)未來還會(huì)繼續(xù)保持增長的狀態(tài)。電池最重要的性能指標(biāo)是儲(chǔ)存容量和循環(huán)穩(wěn)定性，即在不喪失儲(chǔ)存容量的前提下保持高的充放電次數(shù)。一種全新的被稱為高熵氧化物(HEO)的材料因?yàn)榫哂袠O高的穩(wěn)定性，有望用來改進(jìn)電池性能。此外，可以通過改變HEO的組成來定制它們的電化學(xué)性能，能夠滿足一些特殊的使用需求。卡爾斯魯厄納米技術(shù)研究所(INT)和卡爾斯魯厄微納實(shí)驗(yàn)室(KNMF)、卡爾斯魯厄與赫爾姆霍茲(ULM)大學(xué)聯(lián)合建立的赫爾姆霍茲研究所(HIU)、馬德拉斯印度理工學(xué)院的科學(xué)家首次證明了HEO可以作為可逆鋰儲(chǔ)能材料。基于電化學(xué)材料轉(zhuǎn)化的可轉(zhuǎn)化電池能夠在減少電池重量的同時(shí)增加儲(chǔ)能量。科學(xué)家們使用HEO來制造轉(zhuǎn)化電極，這種電極在500多個(gè)充電周期后仍然可以繼續(xù)使用，并且電池容量沒有明顯降低。

INT主任霍斯特·哈恩教授的納米材料小組是研究高熵氧化物的領(lǐng)先團(tuán)隊(duì)之一。雖然科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種新材料的時(shí)間僅有幾年，并且該材料目前仍然罕見，但是他們已經(jīng)出版了幾本相關(guān)的刊物。HEO的特殊性質(zhì)是熵穩(wěn)定導(dǎo)致的結(jié)果，它們的性能可以與已知的高熵合金相媲美。熵穩(wěn)定狀態(tài)的HEO是一種復(fù)合氧化物，含有5種或5種以上不同數(shù)量的不同金屬離子，具有單相晶體結(jié)構(gòu)。雖然這些元素的典型晶體結(jié)構(gòu)差別很大，但它們形成了一種聯(lián)合晶格，并且在晶體中的位置沒有任何明顯的有序性。這種無序也被稱為高熵，可能是因?yàn)樗璧K了晶格中缺陷的遷移，所以能夠保持材料的高穩(wěn)定性。

霍斯特·哈恩教授表示：“HEO具有高穩(wěn)定性、存在不同金屬離子之間的相互作用、大量可行的元素組合，為實(shí)際應(yīng)用開辟了新的機(jī)會(huì)。”《自然通訊》上發(fā)表的文章表明，該研究小組的工作重點(diǎn)在基于過渡金屬(TM-HEO)的HEO上，這類金屬具有很高的鋰離子電導(dǎo)率。他們利用透射電子顯微鏡(TEM)研究了TM-HEO的結(jié)構(gòu)及其對(duì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)去除一種元素只會(huì)降低熵，而且會(huì)對(duì)電池循環(huán)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。由于每種元素都會(huì)影響TM-HEO的電化學(xué)行為，因此可以根據(jù)不同的應(yīng)用量身定做材料。他們的研究結(jié)果為電極材料的系統(tǒng)開發(fā)提供了一種模塊化的方法。霍斯特·哈恩表示：“我們的研究表明，熵穩(wěn)定的HEO與經(jīng)典的轉(zhuǎn)化材料有很大的不同。然而，還需要進(jìn)行更深入的研究才能充分發(fā)揮HEO在儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。”