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鋰離子電池衰退原因被發(fā)現(xiàn):氧化鋰和電解質(zhì)分解是主因

作者: | 發(fā)布日期: 2019 年 06 月 13 日 9:37 | 分類(lèi): 產(chǎn)業(yè)資訊

日前,科學(xué)家們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了電池的衰退原因,并正研究解決方案。

科學(xué)家們通過(guò)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(guò)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。

金屬氧化物、硫化物和氟化物等材料由于儲(chǔ)能密度高,是前景極好的電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池電極材料。但是,它們的儲(chǔ)能能力衰退很快。

研究過(guò)程中用到的氧化鐵電極,由廉價(jià)無(wú)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(shí)轉(zhuǎn)換為全新產(chǎn)物),可以?xún)?chǔ)存更多的能量,因?yàn)樗鼈兛梢匀菁{更多鋰離子。“然而,這些材料的儲(chǔ)能能力衰減非??欤⑶乙蕾?lài)于電流密度。例如,我們對(duì)磁鐵礦的電化學(xué)測(cè)試顯示,磁鐵礦的容量在前10個(gè)高速充放電周期內(nèi)急速下降?!贝隧?xiàng)研究負(fù)責(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(guó)家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的美國(guó)能源部科學(xué)用戶(hù)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?cè)噲D觀察,當(dāng)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(jìn)行研究。TEM的電子束通過(guò)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(lái)探測(cè)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(shí),磁鐵礦完全分解成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來(lái)的充電過(guò)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?yàn)檗D(zhuǎn)化反應(yīng)不是完全可逆的,這些殘余產(chǎn)物會(huì)逐漸積累起來(lái)??茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn),電解質(zhì)(使鋰離子在兩個(gè)電極之間流動(dòng)的化學(xué)介質(zhì))在隨后的循環(huán)中會(huì)分解。

在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們提出一種儲(chǔ)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(shuō),“由于氧化鋰的電子導(dǎo)電性較低,它的積累會(huì)對(duì)在電池正負(fù)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(huì)形成表面鈍化層,阻礙離子傳導(dǎo)。這些障礙累積起來(lái),阻礙電子和鋰離子到達(dá)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(yùn)行電池,可以通過(guò)減慢充電速度,恢復(fù)部分容量為電子傳輸提供足夠的時(shí)間;然而,要徹底解決這一問(wèn)題,還需要其他方案。他們認(rèn)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。

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