鋰離子電池壽命衰退的真正原因是什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-10-21 22:01
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據(jù)國外媒體報道，由于高儲能密度、金屬氧化物、硫化物、氟化物等材料，有望成為電動汽車用鋰離子電池的電極材料。然而，它們的儲能能力迅速下降。近年來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，氧化鐵電極對鋰離子電池的損耗是由氧化鋰的積累和電解液的分解引起的。
研究過程中使用的氧化鐵電極是由廉價無毒的磁鐵礦制成的。與目前的電極材料相比，磁鐵礦等轉(zhuǎn)換電極材料（即與鋰反應(yīng)時轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品）可以儲存更多的能量，因為它們可以容納更多的鋰離子。”然而，這些材料的儲能能力衰減很快，取決于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學(xué)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。”功能性納米材料中心（CFN）電子顯微鏡小組組長董蘇說。CFN是能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室，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(xué)家們試圖觀察電池完成100次循環(huán)后磁鐵礦晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的變化。他們將透射電子顯微鏡（tem）和同步x射線吸收光譜（xas）相結(jié)合。透射電鏡的電子束通過樣品產(chǎn)生特征材料的結(jié)構(gòu)圖像或衍射圖樣。xas使用x射線檢測材料的化學(xué)性質(zhì)。
利用這些技術(shù)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在第一次放電過程中，磁鐵礦被完全分解成金屬鐵納米粒子和氧化鋰。但在接下來的充電過程中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)不是完全可逆的，鐵和氧化鋰的殘留物仍然存在。此外，磁鐵礦的“尖晶石”結(jié)構(gòu)在帶電狀態(tài)下演化為“巖鹽”結(jié)構(gòu)（在這兩種結(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，以形成氧化鋰和金屬鐵納米粒子的復(fù)合材料。由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)不完全可逆，這些殘余產(chǎn)物會逐漸積累?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，電解液是導(dǎo)致鋰離子在兩個電極之間流動的化學(xué)介質(zhì)，在隨后的循環(huán)中會分解。
在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家提出了儲能能力下降的原因。CFN電子顯微鏡小組的科學(xué)家兼聯(lián)合首席作者Sooyeon Hwang說：“由于氧化鋰的電子導(dǎo)電率低，它的積累將形成一個電子在電池正極和負極之間穿梭的屏障，我們稱之為內(nèi)鈍化層。同樣，電解質(zhì)的分解也會形成表面鈍化層，阻礙離子傳導(dǎo)。這些屏障形成并阻止電子和鋰離子到達發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的活性電極材料。”
科學(xué)家們指出，通過降低充電速度和恢復(fù)部分容量，在低電流下運行電池可以為電子傳輸提供足夠的時間；然而，要完全解決這個問題還需要其他解決方案。他們認為在電極材料中加入其他元素和改變電解液可以改善電容衰減。
