隨著日常電子產品、電動汽車、基於太陽能等分布式可再生能源發電系統、電網調峰、可攜式醫療設備、航空航天、國家安全等領域的飛速發展，迫切需要具有高能量密度、高功率密度、長壽命的可充放儲能器件。
鋰離子電池因其諸多優點，成為研究的重要方向。正極材料是鋰離子電池的核心部分，直接決定了鋰電池的能量密度、充放電循環性能、安全性、成本等。
目前研究表明在正極材料的脫嵌鋰過程中，電荷補償不僅僅依靠過渡金屬離子的得失電子完成，氧離子也能參與電極氧化還原反應。但是目前對於氧離子參與電極氧化還原反應的機理存在爭議。
對於氧離子參與電極氧化還原反應機理研究正確與否的前提是能夠直接探測並理解與氧氧化還原反應相關的關鍵電子態信息。基於同步輻射軟x射線光譜可以直接測量費米能級附近的佔據態、未佔據態以及可能存在的相互作用，可以為探測和理解過渡金屬氧化物電池材料中的氧氧化還原反應的提供關鍵信息。
北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊與美國伯克利國家實驗室及史丹福大學合作，通過利用軟X射線共振非彈性散射譜（mRIXS）並結合第一性原理計算，對Li2O、Li2CO3、特別是Li2O2中不同氧化態的氧離子進行光譜表徵，並對其不同光譜特徵峰進行理論解釋。
圖1. 過氧化鋰O mRIXS光譜中存在帶內激子特徵峰
在Li2O和Li2CO3中，由於氧離子處於負二價，其mRIXS光譜特徵峰全部來自於價帶衰變（valence band decay）。然而，在Li2O2中氧呈現負一價，體系中存在部分未佔據的O-2p態，從而導致mRIXS過程中產生了特定的帶內激子特徵峰。
在光譜中此帶內激子特徵峰特具有特定的能量範圍，該能量特異性能將非負二價氧化態氧特徵峰從吸收光譜中佔主導地位的過渡金屬/氧雜化特徵峰中分離出來，從而為探測和理解過渡金屬氧化物電池材料中的O氧化還原反應提供了關鍵線索。
上述研究成果發表於國際著名物理化學期刊The Journal of the Physical Chemistry Letters上(J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 6378-6384; Nature Index期刊, IF=8.709)。
本工作由北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授、美國伯克利國家實驗室楊萬裡研究員以及美國史丹福大學Thomas P. Devereaux教授指導新材料學院博士生卓增慶、史丹福大學博士後Chaitanya Das Pemmaraju共同完成。
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