科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鋰電池衰退的原因

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據(jù)外媒報道,由于儲能密度高,金屬氧化物、硫化物和氟化物等材料,是前景極好的電動汽車鋰離子電池電極材料。但是,它們的儲能能力衰退很快。日前,科學(xué)家們通過研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池發(fā)現(xiàn),電池充放電超過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。

研究過程中用到的氧化鐵電極,由廉價無毒的磁鐵礦制成。比起目前的電極材料,磁鐵礦等轉(zhuǎn)換型電極材料(即和鋰發(fā)生反應(yīng)時轉(zhuǎn)換為全新產(chǎn)物),可以儲存更多的能量,因為它們可以容納更多鋰離子?！叭欢?這些材料的儲能能力衰減非常快,并且依賴于電流密度。例如,我們對磁鐵礦的電化學(xué)測試顯示,磁鐵礦的容量在前10個高速充放電周期內(nèi)急速下降?！贝隧椦芯控撠?zé)人、功能納米材料中心(CFN)電子顯微鏡小組的領(lǐng)導(dǎo)Dong Su表示。CFN是設(shè)于布魯克海文國家實驗室內(nèi)的美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

為了找出循環(huán)不穩(wěn)定的原因,科學(xué)家們試圖觀察,當電池完成100次循環(huán)后,磁鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化情況。他們結(jié)合透射電子顯微鏡(TEM)和同步X射線吸收光譜(XAS),進行研究。TEM的電子束通過樣本傳輸,產(chǎn)生特征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖像或衍射圖案,XAS利用X射線來探測材料的化學(xué)性質(zhì)。

科學(xué)家們利用這些技術(shù)發(fā)現(xiàn),第一次放電時,磁鐵礦完全分解成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(zhuǎn)化反應(yīng)并不是完全可逆的,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(jié)構(gòu)在帶電狀態(tài)下演化為“巖鹽”結(jié)構(gòu)(在兩種結(jié)構(gòu)中,鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環(huán)中,巖鹽氧化鐵與鋰相互作用,形成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復(fù)合物質(zhì)。因為轉(zhuǎn)化反應(yīng)不是完全可逆的,這些殘余產(chǎn)物會逐漸積累起來?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn),電解質(zhì)(使鋰離子在兩個電極之間流動的化學(xué)介質(zhì))在隨后的循環(huán)中會分解。

在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們提出一種儲能能力衰退的解釋。CFN電子顯微鏡小組的科學(xué)家、共同首席作者Sooyeon Hwang說,“由于氧化鋰的電子導(dǎo)電性較低,它的積累會對在電池正負極之間穿梭的電子形成屏障,我們把它叫做內(nèi)部鈍化層。同樣,電解質(zhì)分解也會形成表面鈍化層,阻礙離子傳導(dǎo)。這些障礙累積起來,阻礙電子和鋰離子到達發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的活性電極材料?！?/p>

科學(xué)家們指出,在低電流下運行電池,可以通過減慢充電速度,恢復(fù)部分容量為電子傳輸提供足夠的時間;然而,要徹底解決這一問題,還需要其他方案。他們認為,在電極材料中添加其他元素和改變電解質(zhì),可以改善容量衰減。