锂离子电池衰退的原因解析

日前，科学家们经过研讨一种带有氧化铁电极的锂离子电池发现，电池充放电超过100次后发作的损耗，是由氧化锂堆集和电解质分化造成的。

研讨过程中用到的氧化铁电极，由廉价无毒的磁铁矿制成。比起现在的电极资料，磁铁矿等转换型电极资料(即和锂发作反响时转换为全新产物)，能够储存更多的能量，因为它们能够包容更多锂离子。但是，这些资料的储能才能衰减非常快，而且依赖于电流密度。例如，我们对磁铁矿的电化学测试显示，磁铁矿的容量在前10个高速充放电周期内急速下降。此项研讨负责人、功用纳米资料中心（CFN）电子显微镜小组的领导DongSu表示。CFN是设于布鲁克海文国家试验室内的美国能源部科学用户设备办公室。

为了找出循环不稳定的原因，科学家们企图调查，当电池完结100次循环后，磁铁矿的晶体结构和化学性质变化状况。他们结合透射电子显微镜（TEM）和同步X射线吸收光谱（XAS），进行研讨。TEM的电子束经过样本传输，发作特点物质的结构图像或衍射图画，XAS利用X射线来探测资料的化学性质。

科学家们利用这些技术发现，第一次放电时，磁铁矿彻底分化成金属铁纳米颗粒和氧化锂。但在接下来的充电过程中，这种转化反响并不是彻底可逆的，金属铁和氧化锂的残留物依然存在。此外，磁铁矿原始的尖晶石结构在带电状态下演化为岩盐结构（在两种结构中，铁原子的位置并不彻底相同)。在随后的充放电循环中，岩盐氧化铁与锂相互用途，构成氧化锂与金属铁纳米颗粒的复合物质。因为转化反响不是彻底可逆的，这些剩余产物会逐渐堆集起来。科学家们还发现，电解质（使锂离子在两个电极之间活动的化学介质）在随后的循环中会分化。

在研讨结果的基础上，科学家们提出一种储能才能阑珊的解说。CFN电子显微镜小组的科学家、共同首席作者SooyeonHwang说，因为氧化锂的电子导电性较低，它的堆集会对在电池正负极之间络绎的电子构成屏障，我们把它叫做内部钝化层。相同，电解质分化也会构成表面钝化层，阻止离子传导。这些妨碍累积起来，阻止电子和锂离子到达发作电化学反响的活性电极资料。

科学家们指出，在低电流下运行电池，能够经过减慢充电速度，康复部分容量为电子传输供给满足的时刻；但是，要彻底解决这一问题，还要其他方法。他们以为，在电极资料中添加其他元素和改动电解质，能够改进容量衰减。