科學家發(fā)現(xiàn)了鋰離子電池失效的原因

據(jù)外媒報道，由于儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物等數(shù)據(jù)，是電動汽車鋰離子電池極具發(fā)展前景的數(shù)據(jù)。然而，它們能夠快速儲存能量。摘要研究發(fā)現(xiàn)，一種具有氧化鐵電極的鋰離子電池在經(jīng)過100多次充放電后，因鋰氧化物的積累和電解液的分化而出現(xiàn)損傷。

研究中使用的氧化鐵電極是由廉價、無毒的磁鐵礦制成的。轉(zhuǎn)換電極數(shù)據(jù)，如磁鐵礦，與鋰發(fā)生反應(yīng)并轉(zhuǎn)換成新產(chǎn)品，可以存儲更多的能量，因為它們比當前的電極數(shù)據(jù)包含更多的鋰離子。然而，儲存在數(shù)據(jù)中的能量衰減得非常快，這取決于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學測試表明，磁鐵礦的容量在前10個高速充放電循環(huán)中迅速下降。主持這項研究并在功能納米材料中心(CFN)領(lǐng)導(dǎo)電子顯微鏡小組的董蘇說。CFN是美國能源部科學用戶設(shè)備辦公室，位于布魯克海文國家實驗室。

為了找出循環(huán)不穩(wěn)定的原因，科學家們試圖研究電池完成100次循環(huán)后，磁鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)是如何變化的。他們將透射電子顯微鏡(TEM)和同步x射線吸收光譜(XAS)結(jié)合起來。TEM的電子束通過樣品、結(jié)構(gòu)圖像或捕獲特點材料的衍射圖像進行傳輸，XAS使用x射線檢測數(shù)據(jù)的化學性質(zhì)。

利用這些技術(shù)，科學家們發(fā)現(xiàn)，在第一次放電時，磁鐵礦被徹底分化成金屬鐵納米顆粒和鋰氧化物。但是在后續(xù)的充電過程中，這種轉(zhuǎn)化反應(yīng)并不是完全可逆的，金屬鐵和鋰氧化物的殘留物依然存在。此外，磁鐵礦最初的尖晶石結(jié)構(gòu)演化成帶電荷的巖鹽結(jié)構(gòu)(兩種結(jié)構(gòu)中的鐵原子并不完全相同)。在隨后的充放電循環(huán)中，巖鹽氧化鐵與鋰相互用途，形成鋰氧化物與金屬鐵納米顆粒的復(fù)合材料。因為轉(zhuǎn)化反應(yīng)不是完全可逆的，所以這些剩余的產(chǎn)物會逐漸積累。科學家們還發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)(在電極之間移動鋰離子的化學介質(zhì))在隨后的循環(huán)中會發(fā)生分化。

在研究成果的基礎(chǔ)上，科學家們提出了一種儲能的解釋方法。由于鋰氧化物的電子導(dǎo)電性很低，它的堆積阻礙了電池正極和負極之間的電子流動，我們稱之為內(nèi)部鈍化層。同樣，電解質(zhì)分化在表面形成鈍化層，阻止離子傳導(dǎo)。這些障礙的積累，并阻止電子和鋰離子到達活性電極數(shù)據(jù)的電化學響應(yīng)。

科學家們指出，在低電流下運行電池可以通過降低充電速度來滿足電子傳輸?shù)男枨螅瑥亩謴?fù)部分容量;但是，還要其他的解決方法來一勞永逸地解決這個問題。他們認為在電極數(shù)據(jù)中加入其他元素并改變電解質(zhì)可以改善容量衰減。