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    鋰離子電池衰退的原因解析

    鉅大LARGE  |  點擊量:988次  |  2020年11月10日  

    日前,科學家們經過研討一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池發現,電池充放電超過100次后發作的損耗,是由氧化鋰堆集和電解質分化造成的。


    研討過程中用到的氧化鐵電極,由廉價無毒的磁鐵礦制成。比起現在的電極資料,磁鐵礦等轉換型電極資料(即和鋰發作反響時轉換為全新產物),能夠儲存更多的能量,因為它們能夠包容更多鋰離子。但是,這些資料的儲能才能衰減非常快,而且依賴于電流密度。例如,我們對磁鐵礦的電化學測試顯示,磁鐵礦的容量在前10個高速充放電周期內急速下降。此項研討負責人、功用納米資料中心(CFN)電子顯微鏡小組的領導DongSu表示。CFN是設于布魯克海文國家試驗室內的美國能源部科學用戶設備辦公室。


    為了找出循環不穩定的原因,科學家們企圖調查,當電池完結100次循環后,磁鐵礦的晶體結構和化學性質變化狀況。他們結合透射電子顯微鏡(TEM)和同步X射線吸收光譜(XAS),進行研討。TEM的電子束經過樣本傳輸,發作特點物質的結構圖像或衍射圖畫,XAS利用X射線來探測資料的化學性質。


    科學家們利用這些技術發現,第一次放電時,磁鐵礦徹底分化成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中,這種轉化反響并不是徹底可逆的,金屬鐵和氧化鋰的殘留物依然存在。此外,磁鐵礦原始的尖晶石結構在帶電狀態下演化為巖鹽結構(在兩種結構中,鐵原子的位置并不徹底相同)。在隨后的充放電循環中,巖鹽氧化鐵與鋰相互用途,構成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復合物質。因為轉化反響不是徹底可逆的,這些剩余產物會逐漸堆集起來。科學家們還發現,電解質(使鋰離子在兩個電極之間活動的化學介質)在隨后的循環中會分化。


    在研討結果的基礎上,科學家們提出一種儲能才能闌珊的解說。CFN電子顯微鏡小組的科學家、共同首席作者SooyeonHwang說,因為氧化鋰的電子導電性較低,它的堆集會對在電池正負極之間絡繹的電子構成屏障,我們把它叫做內部鈍化層。相同,電解質分化也會構成表面鈍化層,阻止離子傳導。這些妨礙累積起來,阻止電子和鋰離子到達發作電化學反響的活性電極資料。


    科學家們指出,在低電流下運行電池,能夠經過減慢充電速度,康復部分容量為電子傳輸供給滿足的時刻;但是,要徹底解決這一問題,還要其他方法。他們以為,在電極資料中添加其他元素和改動電解質,能夠改進容量衰減。


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