科学家发现锂电池衰退的原因

本文摘要：据外媒报导，由于储能密度低，金属氧化物、硫化物和氟化物等材料，是前景极佳的电动汽车锂离子电池电极材料。但是，它们的储能能力衰落迅速。 日前，科学家们通过研究一种具有氧化铁电极的锂离子电池找到，电池充放电多达100次后产生的损耗，是由氧化锂累积和电解质分解成导致的。研究过程中中用的氧化铁电极，由廉价有毒的磁铁矿做成。 相比目前的电极材料，磁铁矿等切换型电极材料(即和锂再次发生反应时切换为全新产物)，可以储存更好的能量，因为它们可以容纳更加多锂离子。

据外媒报导，由于储能密度低，金属氧化物、硫化物和氟化物等材料，是前景极佳的电动汽车锂离子电池电极材料。但是，它们的储能能力衰落迅速。

日前，科学家们通过研究一种具有氧化铁电极的锂离子电池找到，电池充放电多达100次后产生的损耗，是由氧化锂累积和电解质分解成导致的。研究过程中中用的氧化铁电极，由廉价有毒的磁铁矿做成。

相比目前的电极材料，磁铁矿等切换型电极材料(即和锂再次发生反应时切换为全新产物)，可以储存更好的能量，因为它们可以容纳更加多锂离子。然而，这些材料的储能能力波动十分慢，并且依赖电流密度。例如，我们对磁铁矿的电化学测试表明，磁铁矿的容量在前10个高速充放电周期内急速上升。

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DongSu回应。CFN是设在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。为了找到循环不稳定的原因，科学家们企图仔细观察，当电池已完成100次循环后，磁铁矿的晶体结构和化学性质变化情况。

他们融合入射电子显微镜（TEM）和实时X射线吸收光谱（XAS），展开研究。TEM的电子束通过样本传输，产生特征物质的结构图像或散射图案，XAS利用X射线来观测材料的化学性质。

科学家们利用这些技术找到，第一次静电时，磁铁矿几乎分解成金属铁纳米颗粒和氧化锂。但在接下来的电池过程中，这种转化成反应并不是几乎共轭的，金属铁和氧化锂的残留物依然不存在。此外，磁铁矿完整的尖晶石结构在电荷状态下进化为岩盐结构（在两种结构中，铁原子的方位并不完全相同)。

在随后的充放电循环中，岩盐氧化铁与锂相互作用，构成氧化锂与金属铁纳米颗粒的填充物质。因为转化成反应不是几乎共轭的，这些瓦解产物不会渐渐累积一起。科学家们还找到，电解质（使锂离子在两个电极之间流动的化学介质）在随后的循环中不会分解成。

在研究结果的基础上，科学家们明确提出一种储能能力衰落的说明。CFN电子显微镜小组的科学家、联合首席作者SooyeonHwang说道，由于氧化锂的电子导电性较低，它的累积不会对在电池正负极之间来回的电子构成屏障，我们把它叫作内部腐蚀层。

某种程度，电解质分解成也不会构成表面腐蚀层，妨碍离子传导。这些障碍积累一起，妨碍电子和锂离子抵达再次发生电化学反应的活性电极材料。科学家们认为，在较低电流下运营电池，可以通过减缓电池速度，完全恢复部分容量为电子传输获取充足的时间；然而，要彻底解决这一问题，还必须其他方案。

他们指出，在电极材料中加到其他元素和转变电解质，可以提高容量波动。

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