科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：分子搶座位 損害電池性能

據(jù)報(bào)道，太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電池中的分子也會(huì)玩一種“搶座位”的游戲，進(jìn)而損害電池性能。研究人員證明，氧原子的激發(fā)能夠提升鋰離子電池性能，同時(shí)也會(huì)造成損傷。這一發(fā)現(xiàn)為制造壽命更長(zhǎng)、容量更大的可充電鋰離子電池提供科學(xué)依據(jù)。

氧的缺點(diǎn)

控制分子的結(jié)合和流動(dòng)方式，對(duì)電池儲(chǔ)能和釋放能量至關(guān)重要。在鋰離子電池中，充電時(shí)，鋰離子從正極通過(guò)電解質(zhì)流向負(fù)極;放電時(shí)，相同的離子會(huì)返回正極，精確地回到所屬晶格中，晶格里還有其他原子，比如氧、鎳、鈷和鎂。這種循環(huán)往復(fù)使電池能夠儲(chǔ)存和釋放能量。

為了促進(jìn)這一過(guò)程，科學(xué)家們利用氧作為電子的供體，增加從正極中流出的鋰。但是，“被激發(fā)”的氧原子能對(duì)精心構(gòu)造的正極造成破壞。PNNL研究小組發(fā)現(xiàn)，這些氧分子是制造混亂的罪魁禍?zhǔn)?，它們的流?dòng)性很強(qiáng)，很可能從表面逃逸，導(dǎo)致電池容量減少，最終導(dǎo)致電池故障，它們可以輕松地交換分子位置，從而影響電池結(jié)構(gòu)。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的科學(xué)家表示：“利用氧原子提供電子，可以增加容量。然而，這是要付出代價(jià)的，人們還沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)。我們知道氧可以提高電池的性能，但還沒(méi)有完全理解其中的原理。”

正極大戰(zhàn)

Wang的團(tuán)隊(duì)精確追蹤正極中氧發(fā)生的變化，揭示了分子之間進(jìn)行的“搶座位”游戲，其中包括被激發(fā)的氧“霸王”，它們趁機(jī)從整體結(jié)構(gòu)中離開(kāi)，造成巨大的缺口，鋰離子阻礙了它們?cè)贩祷亍?/p>

研究小組發(fā)現(xiàn)，氧原子貢獻(xiàn)電子后，過(guò)度激發(fā)的氧原子很容易從正極表面逃逸，在精心構(gòu)造的電池晶格中留下空位。表面的氧原子離開(kāi)后，在整體結(jié)構(gòu)中，其他氧原子就會(huì)擠進(jìn)這些空位里。越來(lái)越多的氧分子也跟著發(fā)生連鎖反應(yīng)，進(jìn)入空隙并逸出表面。隨著這一過(guò)程的繼續(xù)，缺陷從正極表面一點(diǎn)點(diǎn)滲透至更深的材料中，形成大洞。這種位置交換會(huì)破壞電池之前有序的原子結(jié)構(gòu)。氧原子離開(kāi)后留下的空位會(huì)形成空隙，造成巨大的屏障，阻止鋰離子回到原有位置。其他原子，如鎳、鎂、鈷和氧，開(kāi)始四處移動(dòng)，像惡霸一樣橫行霸道，在鋰進(jìn)行必要的化學(xué)反應(yīng)時(shí)，很可能偷走原本屬于鋰的位置。

如果越來(lái)越多的鋰原子不能精確地回到自己在正極中的位置，那么，能夠在正負(fù)極之間往來(lái)的鋰原子就會(huì)減少，電池儲(chǔ)存的能量將越來(lái)越少。大量的空位或空隙會(huì)破壞晶格的穩(wěn)定性，導(dǎo)致容量減少，最終導(dǎo)致電池失效。

為任性的氧做保鏢

”一旦失去足夠的氧原子，電池容量就會(huì)損失，整個(gè)結(jié)構(gòu)隨之崩潰。“Wang說(shuō)。在此項(xiàng)研究中，他所在的PNNL團(tuán)隊(duì)與來(lái)自中國(guó)北京理工大學(xué)、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家展開(kāi)合作。

該團(tuán)隊(duì)正在探索阻止此類(lèi)缺陷的方法。有一種想法是穩(wěn)定表面的氧，將氧原子更緊密地鎖在應(yīng)有位置，阻止它們逃逸。研究人員正在嘗試?yán)醚趸喎肿邮┘踊瘜W(xué)影響，并充當(dāng)保鏢，使氧原子保持在適當(dāng)位置，從而減少氧損失。這有助于保持整體結(jié)構(gòu)，讓鋰離子更從容地移動(dòng)。