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科學家發現鋰電池衰退的原因

來源:蓋世汽車資訊 瀏覽次數:73 發布日期:2019-06-13
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(圖源:Brookhaven官網)

        據外媒報道,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,科學家們通過研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池發現,電池充放電超過100次后產生的損耗,是由氧化鋰積累和電解質分解造成的。

        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,磁鐵礦等轉換型電極材料(即和鋰發生反應時轉換為全新產物),可以儲存更多的能量,因為它們可以容納更多鋰離子。“然而,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測試顯示,磁鐵礦的容量在前10個高速充放電周期內急速下降。”此項研究負責人、功能納米材料中心(CFN)電子顯微鏡小組的領導Dong Su表示。CFN是設于布魯克海文國家實驗室內的美國能源部科學用戶設施辦公室。

        為了找出循環不穩定的原因,科學家們試圖觀察,當電池完成100次循環后,磁鐵礦的晶體結構和化學性質變化情況。他們結合透射電子顯微鏡(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,產生特征物質的結構圖像或衍射圖案,XAS利用X射線來探測材料的化學性質。

        科學家們利用這些技術發現,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,這種轉化反應并不是完全可逆的,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”結構在帶電狀態下演化為“巖鹽”結構(在兩種結構中,鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環中,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合物質。因為轉化反應不是完全可逆的,這些殘余產物會逐漸積累起來。科學家們還發現,電解質(使鋰離子在兩個電極之間流動的化學介質)在隨后的循環中會分解。

        在研究結果的基礎上,科學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家、共同首席作者Sooyeon Hwang說,“由于氧化鋰的電子導電性較低,它的積累會對在電池正負極之間穿梭的電子形成屏障,我們把它叫做內部鈍化層。同樣,電解質分解也會形成表面鈍化層,阻礙離子傳導。這些障礙累積起來,阻礙電子和鋰離子到達發生電化學反應的活性電極材料。”

       科學家們指出,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,可以改善容量衰減。

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