科学家发现锂离子电池失效的原因

科学家发现了锂离子电池失效的原因

据外媒报道，由于储能密度高，金属氧化物、硫化物和氟化物等数据，是电动汽车锂离子电池极具发展前景的数据。然而，它们能够快速储存能量。摘要研究发现，一种具有氧化铁电极的锂离子电池在经过100多次充放电后，因锂氧化物的积累和电解液的分化而出现损伤。

研究中使用的氧化铁电极是由廉价、无毒的磁铁矿制成的。转换电极数据，如磁铁矿，与锂发生反应并转换成新产品，可以存储更多的能量，因为它们比当前的电极数据包含更多的锂离子。然而，储存在数据中的能量衰减得非常快，这取决于电流密度。例如，我们对磁铁矿的电化学测试表明，磁铁矿的容量在前10个高速充放电循环中迅速下降。主持这项研究并在功能纳米材料中心(CFN)领导电子显微镜小组的董苏说。CFN是美国能源部科学用户设备办公室，位于布鲁克海文国家实验室。

为了找出循环不稳定的原因，科学家们试图研究电池完成100次循环后，磁铁矿的晶体结构和化学性质是如何变化的。他们将透射电子显微镜(TEM)和同步x射线吸收光谱(XAS)结合起来。TEM的电子束通过样品、结构图像或捕获特点材料的衍射图像进行传输，XAS使用x射线检测数据的化学性质。

利用这些技术，科学家们发现，在第一次放电时，磁铁矿被彻底分化成金属铁纳米颗粒和锂氧化物。但是在后续的充电过程中，这种转化反应并不是完全可逆的，金属铁和锂氧化物的残留物依然存在。此外，磁铁矿最初的尖晶石结构演化成带电荷的岩盐结构(两种结构中的铁原子并不完全相同)。在随后的充放电循环中，岩盐氧化铁与锂相互用途，形成锂氧化物与金属铁纳米颗粒的复合材料。因为转化反应不是完全可逆的，所以这些剩余的产物会逐渐积累。科学家们还发现，电解质(在电极之间移动锂离子的化学介质)在随后的循环中会发生分化。

在研究成果的基础上，科学家们提出了一种储能的解释方法。由于锂氧化物的电子导电性很低，它的堆积阻碍了电池正极和负极之间的电子流动，我们称之为内部钝化层。同样，电解质分化在表面形成钝化层，阻止离子传导。这些障碍的积累，并阻止电子和锂离子到达活性电极数据的电化学响应。

科学家们指出，在低电流下运行电池可以通过降低充电速度来满足电子传输的需求，从而恢复部分容量;但是，还要其他的解决方法来一劳永逸地解决这个问题。他们认为在电极数据中加入其他元素并改变电解质可以改善容量衰减。