با مطالعاتی که اخیراً انجام شده میتوان بازده باتری‌های لیتیمی فعلی را افزایش داد. اگر بتوان لیتیمهای بیشتری را به ساختار الکترود مثبت در باتری‌های لیتیم-یون اضافه کرد، میتوان بار الکتریکی بیشتری را در فضای یکسان ذخیره کرد که منجر به افزایش 30 تا 50 درصدی مسافت طیشده خودرو شود. اما این کاتدهای غنی از لیتیم خیلی سریع، ولتاژ را از دست میدهند و لذا تلاشهای زیادی برای غلبه بر این مشکل انجام شدهاست.
پس از بررسی زوایای مختلف مشکل، محققان دانشگاه استنفورد، تصویری جامع از فرایندهای شیمیایی رخداده در کاتد که باعث افزایش ظرفیت و تغییر در ساختار اتمی میشود، ارائه دادند. محققان توانستند ساختار کاتد را با تکنیکهای X-ray مطالعه کنند.
باتریها انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل کرده و ذخیره میکنند و 3 جزء اصلی آند، کاتد و الکترولیت دارند. همانطور که باتری لیتیم-یون شارژ و دشارژ میشود، یونهای لیتیم بین آند و کاتد حرکت کرده و وارد ساختار الکترود میشوند. هرچه تعداد یونهایی که الکترود جذب کرده و با توجه به اندازه و وزن میتواند آزاد کند، بیشتر باشند، انرژی ذخیرهشده توسط باتری افزایش مییابد که باعث افزایش مسافت طیشده خودرو خواهد شد. کاتدهای بکاررفته در باتری‌های لیتیم-یون امروزی، تقریباً نصف ظرفیت تئوریشان را استفاده میکنند که با این فرض باید بتوان مسافت دو برابر را به ازای هر شارژ طی کرد. اما در عمل این اتفاق نمیافتد. پس باید کاری کرد تا بتوان ظرفیت تئوری این کاتدها را بدست آورد.
همین عامل است که باعث افزایش علاقه به کاتدهای غنی از لیتیم شده تا بتوان ظرفیتهای زیادی را از آنها جذب کرد. همانند کاتدهای امروزی، کاتدهای غنی از لیتیم نیز از لایههای فشرده لیتیمی ساخته شدهاند که بین لایههای اکسید فلزی همانند نیکل، منگنز و کبالت در ترکیب با اکسیژن قرار گرفتهاند. اضافهکردن لیتیم به لایه اکسید، ظرفیت کاتد را 30 تا 50 درصد افزایش میدهد.
تحقیقات اخیر نشان دادند که اتفاقات مختلفی در زمانیکه کاتد غنی از لیتیم شارژ میشود بطور همزمان به وقوع میپیوندند: یونهای لیتیم از کاتد خارج شده و به سمت آند میروند. برخی اتمهای فلزات واسطه نیز در این حرکت شرکت میکنند. در این حالت، اتمهای اکسیژن برخی از الکترونهای خود را آزاد کرده و جریان الکتریکی و ولتاژ تولید میکنند. زمانیکه یونهای لیتیم و الکترونها در طی دشارژ به سمت کاتد بر میگردند، اغلب فلزات واسطه مداخلهکننده در واکنش، به حالت پایدار خود بر میگردند.
به ازای هر سیکل این واکنشهای رفت و برگشت باعث تغییر ساختار اتمی کاتد میشوند. محققان توانستند با استفاده از تکنیک X-ray تفسیر دقیقی از تغییرات ساختاری و شیمیایی کاتد در طی شارژ و دشارژ بدست آورند.
