氧气流失逐渐降低锂电池性能

随着时间推移，锂离子电极内的微量氧气流失会削弱电池性能。

增强锂电池性能通常要仔细的、极其准确的测量材料性能的变化。众所周知，当锂离子在充电和放电的过程中流动，电池的电压会降低，随着时间的推移，这些损失累积会导致电池的能量储存容易会降低10-15%。

氧气空穴

在电池充放电循环过程中，会有极其微量的氧气渗出。SLAC国家加速实验室（美国能源部下属的国家实验室，由斯坦福大学负责运行管理）的研究员对这一超慢过程进行了非常详细的测量，结果表明‘流失的氧原子的空穴或空位是如何改变电极结构和化学性质的，以及如何逐渐减少能量储存的。’

这项研究在SLAC新闻公布会上进行描述，斯坦福大学Ph.DPeterCsernica说："在和副教授WillChueh合作的实验中，我们能够在数百个周期内测量出极其微量的氧气流出，其速度非常缓慢，这也是为何很难查到的原因。"

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锂电池通过在阴极（正极）和阳极（负极）之间来回移动锂离子来临时存储电荷。研究人员发现某些时候，随着锂来回移动时，构成每个电极的数十亿粒子中会有氧原子流失。测量这些氧气损失是很困难的。Csernica说："氧气流失的总量在超过500次充放电的循环中达到6%。这不是一个小数字，但假如你尝试在每一次充放电循环中测量氧气流失的量，大约是1%。"

在电池工作的温度下，氧原子在固体材料中很难移动，传统观点认为氧流失只来自纳米粒子的表面。SLAC研究人员正在研究氧的损失如何改变粒子的化学和结构，而不是试图直接测量氧气流失。他们分别在几个长度上进行了氧气运动轨迹，从最小的纳米粒子到成团的纳米粒子，再到电极的整个厚度。

通过调查，劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源（LawrenceBerkeleyNationalLaboratory’sAdvancedLightSource）研究团队根据电池循环不同的时间，将电池拆解，并将电极纳米粒子切片进行详细分析检查。使用专门的X射线显微镜对样品进行扫描，生成高分辨率图像，仔细观察每一个细小化学成分展示纳米尺度的细节，以十亿分之一米为测量单位。

将试验结果和计算机模型相比较，观察氧气流失的可能性。研究团队总结：最初的氧气流失是从表面开始的，随后从内部缓慢流出。当纳米粒子凝聚为一体形成更大的一组是，那些靠近中心的部分要比表面流失更少的氧气。

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Chueh指出另一个非常重要的问题氧原子的流失是如何影响留下的材料。Chueh说："这事实上是一个很大的谜团。想象一下纳米粒子中的原子像是紧密堆积的球体。假如你不断取出氧原子，那所有的东西会因为结构的变化而崩塌和致密化。"

该研究团队说："自从电极结构这一方面无法直接成像，科学家们再一次将其他类型的实验观察结果和各种氧气流失情景的计算机模型进行了比较。其结果表明空穴的确存在，材料不会导致结构崩塌和致密化，从而说明氧气的流失是如何导致电池电量逐渐下降的。"

Chueh说："当氧气渗出时，周围的锰原子，镍原子和钴原子也随着移动。所有原子都偏离了理想位置。这种金属离子的重组随着氧气流失而引起的化学变化，会随着时间的推移降低电池电压及效率。我们早就了解这些现象，可是不知其真正的原因。"

现在，我们对电池退化的重要来源有了科学的、从浅入深的理解，这可能是导致减少氧气流失及其破坏性影响的新方法。

插图中显示：SLAC和斯坦福大学的科学家们已经对构成锂电池电极的数十亿的纳米粒子的氧气如何渗出进行了详细测量，随着时间的推移，这些纳米粒子会降低电池的电压和能量效率。图中，红色球体是渗出的氧原子，紫色球体是金属离子。这一新的认识可能将问题降至最低并改善电池性能。