科学家发现锂电池衰退的原因

据国外媒体报道，由于储能密度高，金属氧化物、硫化物和氟化物是电动车锂离子电池的优秀电极材料。然而，它们的能量储存能力迅速下降。日前，科学家通过研究一种带有氧化铁电极的锂离子电池，发现电池在充放电超过100次后的损耗是由氧化锂堆积和电解液分解造成的。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，转换电极材料如磁铁矿(即当它与锂反应时，它被转换成一种全新的产物)，因为它们可以容纳更多的锂离子，所以可以储存更多的能量。“然而，这些材料的储能能力衰减非常快，并取决于电流密度。例如，我们对磁铁矿的电化学测试表明，在最初的10次高速充放电循环中，磁铁矿的容量迅速下降。”这项研究的负责人、CFN功能纳米材料中心电子显微镜组组长苏东说。CFN是位于布鲁克海文国家实验室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，科学家们试图观察电池完成100次循环后，磁铁矿的晶体结构和化学性质的变化。他们将透射电子显微镜(TEM)和同步X射线吸收光谱(XAS)结合起来进行研究。TEM的电子束透过样品，产生特征物质的结构图像或衍射图案。XAS使用X射线来检测材料的化学性质。使用这些技术，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。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依然存在。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(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，形成氧化锂和金属铁纳米颗粒的复合物。因为转化反应不是完全可逆的，这些残留产物会逐渐积累。科学家还发现，电解质(使锂离子在两个电极之间流动的化学介质)会在随后的循环中分解。在研究结果的基础上，科学家对储能能力的下降提出了解释。CFN电子显微镜组的科学家兼共同主要作者Sooyeon Hwang表示，“由于氧化锂的电子电导率较低，它的积累会对电子在电池阳极和阴极之间穿梭形成障碍，我们称之为内部钝化层。同样，电解质分解也会形成表面钝化层，阻碍离子传导。这些障碍积累起来，阻止电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料。”科学家指出，以低电流运行电池，可以通过减慢充电速度和恢复部分容量，为电子传输提供足够的时间；但是，要彻底解决这个问题，还需要其他方案。他们认为，在电极材料中添加其他元素，改变电解质，可以改善容量衰减。据国外媒体报道，由于储能密度高，金属氧化物、硫化物和氟化物是电动车锂离子电池的优秀电极材料。然而，它们的能量储存能力迅速下降。日前，科学家通过研究一种带有氧化铁电极的锂离子电池，发现电池在充放电超过100次后的损耗是由氧化锂堆积和电解液分解造成的。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，转换电极材料如磁铁矿(即当它与锂反应时，它被转换成一种全新的产物)，因为它们可以容纳更多的锂离子，所以可以储存更多的能量。“然而，这些材料的储能能力衰减非常快，并取决于电流密度。例如，我们对磁铁矿的电化学测试表明，在最初的10次高速充放电循环中，磁铁矿的容量迅速下降。”这项研究的负责人、CFN功能纳米材料中心电子显微镜组组长苏东说。CFN是位于布鲁克海文国家实验室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，科学家们试图观察电池完成100次循环后，磁铁矿的晶体结构和化学性质的变化。他们将透射电子显微镜(TEM)和同步X射线吸收光谱(XAS)结合起来进行研究。TEM的电子束透过样品，产生特征物质的结构图像或衍射图案。XAS使用X射线来检测材料的化学性质。使用这些技术，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。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依然存在。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(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，形成氧化锂和金属铁纳米颗粒的复合物。因为转化反应不是完全可逆的，这些残留产物会逐渐积累。科学家还发现，电解质(使锂离子在两个电极之间流动的化学介质)会在随后的循环中分解。在研究结果的基础上，科学家对储能能力的下降提出了解释。CFN电子显微镜组的科学家兼共同主要作者Sooyeon Hwang表示，“由于氧化锂的电子电导率较低，它的积累会对电子在电池阳极和阴极之间穿梭形成障碍，我们称之为内部钝化层。同样，电解质分解也会形成表面钝化层，阻碍离子传导。这些障碍积累起来，阻止电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料。”科学家指出，以低电流运行电池，可以通过减慢充电速度和恢复部分容量，为电子传输提供足够的时间；但是，要彻底解决这个问题，还需要其他方案。他们认为，在电极材料中添加其他元素，改变电解质，可以改善容量衰减。

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