科学家创造锂电池衰退的原因

据外媒宣布，由于储能密度高，金属氧化物、硫化物和氟化物等材料，是前景极好的电动汽车锂离子电池电极材料。
但是，它们的储能能力衰退很快。

日前，科学家们通过研究一种带有氧化铁电极的锂离子电池创造，电池充放电超过100次后产生的损耗，是由氧化锂积累和电解质分解造成的。

研究过程中用到的氧化铁电极，由廉价无毒的磁铁矿制成。
比起目前的电极材料，磁铁矿等转换型电极材料(即和锂发生反应时转换为全新产物)，可以储存更多的能量，由于它们可以容纳更多锂离子。
“然而，这些材料的储能能力衰减非常快，并且依赖于电流密度。
例如，我们对磁铁矿的电化学测试显示，磁铁矿的容量在前10个高速充放电周期内连忙低落。
”此项研究卖力人、功能纳米材料中央（CFN）电子显微镜小组的领导Dong Su表示。
CFN是设于布鲁克海文国家实验室内的美国能源部科学用户举动步伐办公室。

为了找出循环不稳定的缘故原由，科学家们试图不雅观察，当电池完成100次循环后，磁铁矿的晶体构造和化学性子变革情形。
他们结合透射电子显微镜（TEM）和同步X射线接管光谱（XAS），进行研究。
TEM的电子束通过样本传输，产生特色物质的构造图像或衍射图案，XAS利用X射线来探测材料的化学性子。

科学家们利用这些技能创造，第一次放电时，磁铁矿完备分解成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备可逆的，金属铁和氧化锂的残留物仍旧存在。
此外，磁铁矿原始的“尖晶石”构造在带电状态下蜕变为“岩盐”构造（在两种构造中，铁原子的位置并不完备相同)。
在随后的充放电循环中，岩盐氧化铁与锂相互浸染，形成氧化锂与金属铁纳米颗粒的复合物质。
由于转化反应不是完备可逆的，这些残余产物会逐渐积累起来。
科学家们还创造，电解质（使锂离子在两个电极之间流动的化学介质）在随后的循环中会分解。

在研究结果的根本上，科学家们提出一种储能能力衰退的阐明。
CFN电子显微镜小组的科学家、共同首席作者Sooyeon Hwang说，“由于氧化锂的电子导电性较低，它的积累会对在电池正负极之间穿梭的电子形成樊篱，我们把它叫做内部钝化层。
同样，电解质分解也会形成表面钝化层，阻碍离子传导。
这些障碍累积起来，阻碍电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料。
”

科学家们指出，在低电流下运行电池，可以通过减慢充电速率，规复部分容量为电子传输供应足够的韶光；然而，要彻底办理这一问题，还须要其他方案。
他们认为，在电极材料中添加其他元素和改变电解质，可以改进容量衰减。