科學家發現鋰電池衰退的原因

據國外媒體報道，由于儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物是電動車鋰離子電池的優秀電極材料。然而，它們的能量儲存能力迅速下降。日前，科學家通過研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池，發現電池在充放電超過100次后的損耗是由氧化鋰堆積和電解液分解造成的。研究過程中使用的氧化鐵電極由廉價無的磁鐵礦制成。與目前的電極材料相比，轉換電極材料如磁鐵礦(即當它與鋰反應時，它被轉換成一種全新的產物)，因為它們可以容納更多的鋰離子，所以可以儲存更多的能量。“然而，這些材料的儲能能力衰減非常快，并取決于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學測試表明，在最初的10次高速充放電循環中，磁鐵礦的容量迅速下降。”這項研究的負責人、CFN功能納米材料中心電子顯微鏡組組長蘇東說。CFN是位于布魯克海文國家實驗室的美國能源部科學用戶設施辦公室。為了找出循環不穩定的原因，科學家們試圖觀察電池完成100次循環后，磁鐵礦的晶體結構和化學性質的變化。他們將透射電子顯微鏡(TEM)和同步X射線吸收光譜(XAS)結合起來進行研究。TEM的電子束透過樣品，產生特征物質的結構圖像或衍射圖案。XAS使用X射線來檢測材料的化學性質。使用這些技術，科學家發現磁鐵礦在第一次放電過程中完全分解為金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中，這種轉化反應并不是完全可逆的，金屬鐵和氧化鋰的殘留依然存在。此外，磁鐵礦原有的“尖晶石”結構在帶電狀態下演化為“巖鹽”結構(兩種結構中鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環中，巖鹽氧化鐵與鋰相互作用，形成氧化鋰和金屬鐵納米顆粒的復合物。因為轉化反應不是完全可逆的，這些殘留產物會逐漸積累。科學家還發現，電解質(使鋰離子在兩個電極之間流動的化學介質)會在隨后的循環中分解。在研究結果的基礎上，科學家對儲能能力的下降提出了解釋。CFN電子顯微鏡組的科學家兼共同主要作者Sooyeon Hwang表示，“由于氧化鋰的電子電導率較低，它的積累會對電子在電池陽極和陰極之間穿梭形成障礙，我們稱之為內部鈍化層。同樣，電解質分解也會形成表面鈍化層，阻礙離子傳導。這些障礙積累起來，阻止電子和鋰離子到達發生電化學反應的活性電極材料。”科學家指出，以低電流運行電池，可以通過減慢充電速度和恢復部分容量，為電子傳輸提供足夠的時間；但是，要徹底解決這個問題，還需要其他方案。他們認為，在電極材料中添加其他元素，改變電解質，可以改善容量衰減。據國外媒體報道，由于儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物是電動車鋰離子電池的優秀電極材料。然而，它們的能量儲存能力迅速下降。日前，科學家通過研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池，發現電池在充放電超過100次后的損耗是由氧化鋰堆積和電解液分解造成的。研究過程中使用的氧化鐵電極由廉價無的磁鐵礦制成。與目前的電極材料相比，轉換電極材料如磁鐵礦(即當它與鋰反應時，它被轉換成一種全新的產物)，因為它們可以容納更多的鋰離子，所以可以儲存更多的能量。“然而，這些材料的儲能能力衰減非常快，并取決于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學測試表明，在最初的10次高速充放電循環中，磁鐵礦的容量迅速下降。”這項研究的負責人、CFN功能納米材料中心電子顯微鏡組組長蘇東說。CFN是位于布魯克海文國家實驗室的美國能源部科學用戶設施辦公室。為了找出循環不穩定的原因，科學家們試圖觀察電池完成100次循環后，磁鐵礦的晶體結構和化學性質的變化。他們將透射電子顯微鏡(TEM)和同步X射線吸收光譜(XAS)結合起來進行研究。TEM的電子束透過樣品，產生特征物質的結構圖像或衍射圖案。XAS使用X射線來檢測材料的化學性質。使用這些技術，科學家發現磁鐵礦在第一次放電過程中完全分解為金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中，這種轉化反應并不是完全可逆的，金屬鐵和氧化鋰的殘留依然存在。此外，磁鐵礦原有的“尖晶石”結構在帶電狀態下演化為“巖鹽”結構(兩種結構中鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環中，巖鹽氧化鐵與鋰相互作用，形成氧化鋰和金屬鐵納米顆粒的復合物。因為轉化反應不是完全可逆的，這些殘留產物會逐漸積累。科學家還發現，電解質(使鋰離子在兩個電極之間流動的化學介質)會在隨后的循環中分解。在研究結果的基礎上，科學家對儲能能力的下降提出了解釋。CFN電子顯微鏡組的科學家兼共同主要作者Sooyeon Hwang表示，“由于氧化鋰的電子電導率較低，它的積累會對電子在電池陽極和陰極之間穿梭形成障礙，我們稱之為內部鈍化層。同樣，電解質分解也會形成表面鈍化層，阻礙離子傳導。這些障礙積累起來，阻止電子和鋰離子到達發生電化學反應的活性電極材料。”科學家指出，以低電流運行電池，可以通過減慢充電速度和恢復部分容量，為電子傳輸提供足夠的時間；但是，要徹底解決這個問題，還需要其他方案。他們認為，在電極材料中添加其他元素，改變電解質，可以改善容量衰減。

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