美國科學家發(fā)表于最新一期《科學進展》雜志的論文說，鋰離子電池中的鋰離子濃度會發(fā)生漲落變化，這解釋了鋰離子電池壽命變短的原因，并有望幫助開發(fā)充電更快、待機時間更久的電池。

由美國能源部布魯克黑文國家實驗室領導的一個研究團隊近日發(fā)現(xiàn)，當電池產(chǎn)生電流時，若電池的電極是由納米粒子制成的，納米粒子部分區(qū)域里的鋰離子濃度會先上升，然后下降，而非此前一直認為的濃度會持續(xù)增加。

晶格是晶體內(nèi)部的粒子按一定幾何圖形排列而成的結(jié)構(gòu)。鋰離子電池的工作原理是鋰離子在正負極晶格間移動，充電時，鋰離子從正極流到負極，放電時正相反。

“與海綿吸水類似，我們看到納米粒子里鋰離子的總濃度在不斷增加，”主持該研究的布魯克黑文國家實驗室可持續(xù)能源技術部科學家王馮說，“但與水不同，鋰離子會選擇性地從某些區(qū)域流出，這造成晶格間鋰離子濃度不一致。”

研究人員指出，鋰離子進入晶格前，晶格的結(jié)構(gòu)很均勻，一旦鋰離子進入，就會拉伸晶格，當鋰離子流出時，晶格又收縮了。鋰離子的不均勻運動可能造成持久性損害，原因是它使電池內(nèi)活性成分的結(jié)構(gòu)變形，并可能導致電池疲勞失效。

研究人員推測這種現(xiàn)象也可能發(fā)生在其他高性能電池的化學物質(zhì)中，該研究結(jié)果可有助于開發(fā)充電時間更短、待機時間更長的電池。

Wolverton的團隊與Argonne國家實驗室的研究人員合作成功研制出了一種可充電的鋰-氧化鐵電池，這種電池能夠比普通的鋰鈷氧化物電池循環(huán)使用更多的鋰離子。

      結(jié)果是得到一個更大容量的電池，這將使得由電池供電的電動汽車和智能手機持續(xù)工作更長時間。

      西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程教授Wolverton說:我們對電池的計算結(jié)果是十分興奮的，但是如果沒有實驗證實，就會有很多懷疑論者懷疑它的科學性。事實上他確實作用是很顯著的。

      這項由美國能源部能源前沿研究中心(Energy Frontier research Center program)支持的研究最近在《自然能源》(Nature Energy)雜志上發(fā)表。在 Wolverton實驗室的博士生Zhenpeng Yao和Argonne的博士后Chun Zhan是該論文的第一批作者。阿貢領導了這項研究的實驗部分，沃爾弗頓和姚明負責計算開發(fā)。

      鋰離子電池的工作原理是在陽極和陰極間來回穿梭鋰離子。當電池充電時，離子會移動到陽極。陰極由一種由過渡金屬、鋰離子和氧組成的化合物生成。過渡金屬通常是鈷，當鋰離子從陽極傳遞到陰極然后再返回時，有效地儲存和釋放電能。然后陰極的容量被過渡金屬中的電子數(shù)量給限制了。

      20年來，鋰鈷氧化物電池一直在商業(yè)上可用，但研究人員長期以來一直在尋找更大容量、更便宜的替代品。Wolverton的團隊利用兩種策略增強了普通的鋰鈷氧化物電池: 用鐵代替鈷迫使氧氣參與反應過程。

      如果氧氣還能儲存和釋放電能，電池將有更大的容量儲存，然后使用越來越多的鋰。盡管其他研究團隊過去也嘗試過這種方法，但只有少數(shù)人成功。

      “以前的問題是，如果你試圖讓氧氣參與反應，化合物就會變得不穩(wěn)定，”Yao說。“氧氣會從電池中釋放出來，使反應不可逆。

      Wolverton和Yao通過計算發(fā)現(xiàn)了一種能夠使工作可逆的公式。他們首先用鐵代替鈷，這是有益的，因為它是周期表上最便宜的元素之一。通過計算，他們發(fā)現(xiàn)了鋰、鐵和氧離子的正確平衡方式，以便讓鐵和氧同時驅(qū)動可逆反應，防止氧氣的逸出。

      Wolverton說“由于我們從金屬和氧得到電子，而且我們使用的金屬是鐵，我們的電池不僅有很有趣的化學成分，而且有可能制造出更加便宜的電池”

      另一個重要的方面是，完全充電電池不是一個鋰離子開始的而是由四個鋰離子開始的。目前的反應是能夠可逆地利用其中一個鋰離子，主要是提高現(xiàn)有電池的容量。然而，通過使用氧氣和鐵來驅(qū)動整個反應的可能性確實是誘人的。

      “每個金屬有四個鋰離子，這將改變一切，” Wolverton說。“這意味著你的手機可以延長8倍，或者你的車能開8倍的距離。如果電動車能夠在行駛里程和成本方面與汽油動力汽車競爭，那么這將改變世界。”

      Wolverton已經(jīng)向西北大學的創(chuàng)新和風險投資辦公室提出了電池的臨時專利。展望未來，沃爾弗頓和他的團隊計劃發(fā)現(xiàn)其他的化合物來證明這一策略可以發(fā)揮作用。