近日，青島大學物理科學學院青年教師李強、李洪森以共同一作兼共同通訊作者身份在國際頂尖期刊《Nature Materials》（《自然。材料》）在線發表了題為“Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed byin situmagnetometry”的原創研究成果。這是青島大學首次以第一署名單位和通訊單位在《Nature Materials》發表科研論文。《Nature Materials》是由Nature 出版集團出版發行的全球著名的期刊，是材料、物理、化學等交叉學科領域最具影響力的期刊之一，2019年影響因子高達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渡族金屬化合物材料反常的超出理論極限的額外容量現象，這一現象困擾了儲能領域近20年，被國內外研究人員廣泛關注。為了揭示這一關鍵科學問題，多位國際能源領域知名專家都對該現象提出了理論解釋（如凝膠聚合物薄膜的生長，空間電荷存儲以及LiOH到Li₂O和LiH的表面轉化），然而由于電極材料界面處的復雜性超出常規設備的測試能力，其蘊藏的儲能機制始終處于爭議中。

圍繞此關鍵科學問題，作者對過渡族金屬化合物儲能機制進行了深入研究，并取得了重大突破。基于自主構建的原位磁性監測技術和自旋電子學理論，研究揭示了過渡族金屬化合物Fe₃O₄的額外容量主要來源于過渡族金屬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渡族金屬化合物中，費米面處3d電子高電子態密度發揮關鍵作用。研究結論突破了人們對傳統鋰離子電池儲能方式（Insertion、Alloying、Conversion）的認知，首次在實驗上直觀地證實了空間電荷儲鋰機制，并進一步明確了電子存儲位置。該工作不僅為設計下一代高性能儲能器件提供了新方向，也為能源材料的設計制備提供了一種有力的測試分析技術。

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。

該工作為青島大學物理科學學院李強、李洪森兩位青年教師通力合作所取得的重大成果。其中，青島大學碩士研究生夏清濤、胡正強為共同一作；美國得克薩斯大學奧斯汀分校余桂華教授和加拿大滑鐵盧大學苗國興教授為共同通訊作者。論文主要作者還包括青島大學龍云澤和王曉雄特聘教授、山東大學顏世申教授、中國科學院物理所葛琛、張慶華、谷林研究員、美國麻省理工大學Moodera教授等。