如果電動汽車要超越汽油發動機，那么電池必須得到改善。傳統的鋰離子電池，其相當重量的能量密度最高，只能充電至理論容量的50%左右。當研究人員試圖將更多的鋰離子裝入電池的電極時，這并沒有起到什么作用。在第一次放電/再充電循環之后，電極開始迅速退化，沒有人能夠弄清楚如何防止它。

現在有一個線索。研究人員結合使用理論計算機建模和先進的X射線方法，首次發現原子在被充電時原子重排的方式與電池原子和化學結構中電子的存儲方式之間存在關系。這種見解應該為電池制造商提供一個構建富鋰電極的藍圖，可以顯著提高電池性能。

充分發揮其潛力的鋰離子電池可以將當今電動汽車的使用范圍提高三分之一甚至更高。例如，一輛裝有該公司P100D電池組的特斯拉S型車可以在一次充電時行駛315英里（約500公里），最高達473英里。或者汽車制造商可以保持在315英里的范圍內，但降低價格與天然氣動力車輛沒有退稅競爭。

“夢想是制造一種價格實惠的大眾市場電動汽車，其價格與汽油當量相同。然后，消費者開始從第一天開始節省燃氣，所有人都會轉而使用電力，“斯坦福大學化學系的博士生William Gent說, 他也是研究的第一作者，近日其研究成果發表在Nature Communications上。

Gent與斯坦福大學的研究員William Chueh教授以及來自Lawrence Berkeley國家實驗室先進光源的研究人員一起工作。

從技術上說，傳統的鋰離子電池相當簡單。它們有兩個電極 - 帶正電的陰極和帶負電的陽極 - 它們之間有液體電解質。陰極由鋰和過渡金屬（即鎳，錳或鈷）層組成。

當電池充電時，鋰離子從正極移動通過液體電解質，然后插入組成負極的材料中。過渡金屬離子保持。電子也是如此，只是它們在通往負極的路上穿過電路。電池放電時，離子和電子以相反的方向行進。

“我們希望我們能夠利用這種理解來更好地控制這些材料，使它們更實用。”

- 斯坦福大學William Gent

富含鋰的電池用鋰取代電極中的一些過渡金屬。雖然額外的鋰有可能提高陰極的容量30%至50%，但是會產生一些神秘的電壓行為。例如，即使在低電流下，平均充電電壓也高于平均放電電壓。Gent表示，在一個完美的電池里，電壓是相同的。

而且，在經歷充電和放電循環之后，電壓逐漸下降。Gent說，電子設備不能管理這種不穩定的電壓行為，因為電路不能夠動態地重新校準以處理這些變化。這就是為什么富鋰電極如此不切實際。

在尋找解決方案時，以前的研究人員通常會研究在充電/放電循環過程中離子如何重新排列，或者電子如何儲存在電池的原子和化學結構中。同時學習是非常困難的，因為它需要先進的分析技術才能獲得最佳的圖像，并且很多研究團隊不能獲得必要的設備。

Gent和他的同事們能夠做到這一點。他們在兩個設施中工作，每個設備都有非常明亮，高度敏感和精細調整的X射線源，以便開發關于原子重排如何影響電子在材料內儲存方式的假設。他們在SLAC的斯坦福同步輻射光源中使用X射線衍射來探測陰極原子和化學結構在充電和放電時的變化。在勞倫斯伯克利國家實驗室的高級光源中，他們使用共振非彈性X射線散射來測量富鋰材料的磁性和電子特性。

接下來，科學家們使用計算機模型來測試他們的假設。他們證實，當富含鋰的陰極被充電時，常規電池中通常保留的過渡金屬離子移動。他們發現這種重排大大地影響了電子存儲在陰極的電壓。如果離子在放電期間返回到原來的位置，這將不會那么糟糕。但是很少。而且每次電池充放電，離子移動一點點，造成原子結構的紊亂，造成奇怪的電壓行為。

Gent說：“我們希望能夠利用這種理解來更好地控制這些材料，使它們更實用。

他和他的同事已經開始測試不同的方法來解決這個問題。一個想法是防止過渡金屬離子遷移。另一種方法是設計結構，使遷移離子更容易返回到原來的位置。