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科学家发现锂电池衰退的原因

锂电池

来源：盖世汽车 Elisha
据外媒报道 ， 由于储能密度高 ， 金属氧化物、硫化物和氟化物等材料 ， 是前景极好的电动汽车锂离子电池电极材料 。但是 ， 它们的储能能力衰退很快 。日前 ， 科学家们通过研究一种带有氧化铁电极的锂离子电池发现 ， 电池充放电超过100次后产生的损耗 ， 是由氧化锂积累和电解质分解造成的 。
研究过程中用到的氧化铁电极 ， 由廉价无毒的磁铁矿制成 。比起目前的电极材料 ， 磁铁矿等转换型电极材料(即和锂发生反应时转换为全新产物) ， 可以储存更多的能量 ， 因为它们可以容纳更多锂离子 。“然而 ， 这些材料的储能能力衰减非常快 ， 并且依赖于电流密度 。例如 ， 我们对磁铁矿的电化学测试显示 ， 磁铁矿的容量在前10个高速充放电周期内急速下降 。”此项研究负责人、功能纳米材料中心（CFN）电子显微镜小组的领导Dong Su表示 。CFN是设于布鲁克海文国家实验室内的美国能源部科学用户设施办公室 。
为了找出循环不稳定的原因 ， 科学家们试图观察 ， 当电池完成100次循环后 ， 磁铁矿的晶体结构和化学性质变化情况 。他们结合透射电子显微镜（TEM）和同步X射线吸收光谱（XAS） ， 进行研究 。TEM的电子束通过样本传输 ， 产生特征物质的结构图像或衍射图案 ， XAS利用X射线来探测材料的化学性质 。
科学家们利用这些技术发现 ， 第一次放电时 ， 磁铁矿完全分解成金属铁纳米颗粒和氧化锂 。但在接下来的充电过程中 ， 这种转化反应并不是完全可逆的 ， 金属铁和氧化锂的残留物仍然存在 。此外 ， 磁铁矿原始的“尖晶石”结构在带电状态下演化为“岩盐”结构（在两种结构中 ， 铁原子的位置并不完全相同) 。在随后的充放电循环中 ， 岩盐氧化铁与锂相互作用 ， 形成氧化锂与金属铁纳米颗粒的复合物质 。因为转化反应不是完全可逆的 ， 这些残余产物会逐渐积累起来 。科学家们还发现 ， 电解质（使锂离子在两个电极之间流动的化学介质）在随后的循环中会分解 。
【科学家发现锂电池衰退的原因】在研究结果的基础上 ， 科学家们提出一种储能能力衰退的解释 。CFN电子显微镜小组的科学家、共同首席作者Sooyeon Hwang说 ， “由于氧化锂的电子导电性较低 ， 它的积累会对在电池正负极之间穿梭的电子形成屏障 ， 我们把它叫做内部钝化层 。同样 ， 电解质分解也会形成表面钝化层 ， 阻碍离子传导 。这些障碍累积起来 ， 阻碍电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料 。”
科学家们指出 ， 在低电流下运行电池 ， 可以通过减慢充电速度 ， 恢复部分容量为电子传输提供足够的时间；然而 ， 要彻底解决这一问题 ， 还需要其他方案 。他们认为 ， 在电极材料中添加其他元素和改变电解质 ， 可以改善容量衰减 。
 




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