近日，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院青年教師李強(qiáng)、李洪森以共同一作兼共同通訊作者身份在國(guó)際頂尖期刊《Nature Materials》（《自然。材料》）在線發(fā)表了題為“Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed byin situmagnetometry”的原創(chuàng)研究成果。這是青島大學(xué)首次以第一署名單位和通訊單位在《Nature Materials》發(fā)表科研論文。《Nature Materials》是由Nature 出版集團(tuán)出版發(fā)行的全球著名的期刊，是材料、物理、化學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域最具影響力的期刊之一，2019年影響因子高達(dá)38.887。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-020-0756-y

該研究聚焦于鋰離子電池中過(guò)渡族金屬化合物材料反常的超出理論極限的額外容量現(xiàn)象，這一現(xiàn)象困擾了儲(chǔ)能領(lǐng)域近20年，被國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注。為了揭示這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，多位國(guó)際能源領(lǐng)域知名專家都對(duì)該現(xiàn)象提出了理論解釋（如凝膠聚合物薄膜的生長(zhǎng)，空間電荷存儲(chǔ)以及LiOH到Li₂O和LiH的表面轉(zhuǎn)化），然而由于電極材料界面處的復(fù)雜性超出常規(guī)設(shè)備的測(cè)試能力，其蘊(yùn)藏的儲(chǔ)能機(jī)制始終處于爭(zhēng)議中。

圍繞此關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，作者對(duì)過(guò)渡族金屬化合物儲(chǔ)能機(jī)制進(jìn)行了深入研究，并取得了重大突破。基于自主構(gòu)建的原位磁性監(jiān)測(cè)技術(shù)和自旋電子學(xué)理論，研究揭示了過(guò)渡族金屬化合物Fe₃O₄的額外容量主要來(lái)源于過(guò)渡族金屬Fe納米顆粒表面的自旋極化電容，并證明這種空間電荷電容廣泛存在于各種過(guò)渡族金屬化合物中，費(fèi)米面處3d電子高電子態(tài)密度發(fā)揮關(guān)鍵作用。研究結(jié)論突破了人們對(duì)傳統(tǒng)鋰離子電池儲(chǔ)能方式（Insertion、Alloying、Conversion）的認(rèn)知，首次在實(shí)驗(yàn)上直觀地證實(shí)了空間電荷儲(chǔ)鋰機(jī)制，并進(jìn)一步明確了電子存儲(chǔ)位置。該工作不僅為設(shè)計(jì)下一代高性能儲(chǔ)能器件提供了新方向，也為能源材料的設(shè)計(jì)制備提供了一種有力的測(cè)試分析技術(shù)。

圖1. Fe₃O₄電極表征。

圖2. 自旋極化電子在Fe0/Li2O界面的表面電容示意圖。

該工作為青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院李強(qiáng)、李洪森兩位青年教師通力合作所取得的重大成果。其中，青島大學(xué)碩士研究生夏清濤、胡正強(qiáng)為共同一作；美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授和加拿大滑鐵盧大學(xué)苗國(guó)興教授為共同通訊作者。論文主要作者還包括青島大學(xué)龍?jiān)茲珊屯鯐孕厶仄附淌凇⑸綎|大學(xué)顏世申教授、中國(guó)科學(xué)院物理所葛琛、張慶華、谷林研究員、美國(guó)麻省理工大學(xué)Moodera教授等。