鋰電池衰退的原因
據調查，因為儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物等資料，是前景極好的電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池電極資料。但是，它們的儲能才能衰退很快。日前，科學(xué)家們通過(guò)研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池發(fā)現，電池充放電超過(guò)100次后產(chǎn)生的損耗，是由氧化鋰積累和電解質(zhì)分解造成的。
研究過(guò)程中用到的氧化鐵電極，由廉價(jià)無(wú)毒的磁鐵礦制成。比起目前的電極資料，磁鐵礦等轉換型電極資料（即和鋰發(fā)生反響時(shí)轉換為全新產(chǎn)物），能夠儲存更多的能量，因為它們能夠容納更多鋰離子?！叭欢?，這些資料的儲能才能衰減非?？?，并且依賴(lài)于電流密度。例如，咱們對磁鐵礦的電化學(xué)測試顯示，磁鐵礦的容量在前10個(gè)高速充放電周期內急速下降?！贝隧椦芯控撠熑?、功能納米資料中心（CFN）電子顯微鏡小組的領(lǐng)導Dong Su表示。CFN是設于布魯克海文實(shí)驗室內的美國能源部科學(xué)用戶(hù)設施辦公室。
為了找出循環(huán)不穩定的原因，科學(xué)家們試圖觀(guān)察，當電池完成100次循環(huán)后，磁鐵礦的晶體結構和化學(xué)性質(zhì)變化情況。他們結合透射電子顯微鏡（TEM）和同步X射線(xiàn)吸收光譜（XAS），進(jìn)行研究。TEM的電子束通過(guò)樣本傳輸，產(chǎn)生特征物質(zhì)的結構圖像或衍射圖案，XAS利用X射線(xiàn)來(lái)勘探資料的化學(xué)性質(zhì)。
科學(xué)家們利用這些技能發(fā)現，次放電時(shí)，磁鐵礦徹底分解成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來(lái)的充電過(guò)程中，這種轉化反響并不是徹底可逆的，金屬鐵和氧化鋰的殘留物仍然存在。此外，磁鐵礦原始的“尖晶石”結構在帶電狀態(tài)下演化為“巖鹽”結構（在兩種結構中，鐵原子的位置并不徹底相同）。在隨后的充放電循環(huán)中，巖鹽氧化鐵與鋰相互作用，構成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復合物質(zhì)。因為轉化反響不是徹底可逆的，這些殘余產(chǎn)物會(huì )逐漸積累起來(lái)?？茖W(xué)家們還發(fā)現，電解質(zhì)（使鋰離子在兩個(gè)電極之間流動(dòng)的化學(xué)介質(zhì)）在隨后的循環(huán)中會(huì )分解。
在研究結果的基礎上，科學(xué)家們提出一種儲能才能衰退的解釋。CFN電子顯微鏡小組的科學(xué)家、共同首席作者Sooyeon Hwang說(shuō)，“因為氧化鋰的電子導電性較低，它的積累會(huì )對在電池正負極之間絡(luò )繹的電子構成屏障，咱們把它叫做內部鈍化層。同樣，電解質(zhì)分解也會(huì )構成表面鈍化層，阻止離子傳導。這些障礙累積起來(lái)，阻止電子和鋰離子到達發(fā)生電化學(xué)反響的活性電極資料?！?/span>
科學(xué)家們指出，在低電流下運行電池，能夠通過(guò)減慢充電速度，恢復部分容量為電子傳輸提供足夠的時(shí)間；然而，要徹底解決這一問(wèn)題，還需要其他計劃。他們認為，在電極資料中添加其他元素和改變電解質(zhì)，能夠改善容量衰減。
