科学家发现锂电池衰退的原因

据外媒报道，金属氧化物、硫化物和氟化物等材料具有较高的储能密度，是电动汽车锂离子电池的电极材料。然而，它们的储能能力正在迅速下降。最近，科学家通过对一种具有氧化铁电极的锂离子电池的研究发现，充放电100多次后产生的损耗是由氧化锂的积累和电解质分解引起的。研究过程中使用的氧化铁电极由廉价无的磁铁矿制成。与目前的电极材料相比，磁铁矿等转换电极材料（即与锂反应时转化为新产品）可以储存更多的能量，因为它们可以容纳更多的锂离子。“然而，这些材料的储能能力衰减非常快，这取决于电流密度。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个高速充放电循环中急剧下降。”董苏说，功能纳米材料中心的研究负责人和电子显微镜团队的负责人。CFN是美国能源部的科学用户设施办公室，位于布鲁克黑文国家实验室。为了找出不稳定循环的原因，科学家们试图观察电池100次循环后磁铁矿的晶体结构和化学财产的变化。他们结合透射电子显微镜和同步X射线吸收光谱进行研究。TEM的电子束透射通过样品，产生特征物质的结构图像或衍射图案。XAS使用X射线检测材料的化学财产。利用这些技术，科学家发现磁铁矿在第一次放电过程中完全分解为金属铁纳米颗粒和氧化锂。然而，在随后的充电过程中，这种转化反应并不完全可逆，金属铁和氧化锂的残留物仍然存在。此外，磁铁矿原有的“尖晶石”结构在带电状态下演化为“岩盐”结构，并将在随后的循环中分解。根据研究结果，科学家们提出了储能能力下降的解释。科学家、CFN电子显微镜小组的共同首席作者Sooyeon Hwang表示，由于氧化锂的电子电导率较低，其积累形成了电子在电池正负电极之间穿梭的屏障，我们称之为内部钝化层。类似地，电解质分解也形成阻碍离子传导的表面钝化层。这些障碍物积聚并阻止电子和锂离子到达进行电化学反应的活性电极材料。“科学家指出，在低电流下运行电池，通过减慢充电速度并恢复一些容量，可以为电子传输提供足够的时间；然而，要彻底解决这个问题，还需要其他解决方案。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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