據(jù)外媒報(bào)道,太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室(PNNL)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),電池中的分子也會(huì)玩一種“搶座位”的游戲,進(jìn)而損害電池性能。研究人員證明,氧原子的激發(fā)能夠提升鋰離子電池性能,同時(shí)也會(huì)造成損傷。這一發(fā)現(xiàn)為制造壽命更長(zhǎng)、容量更大的可充電鋰離子電池提供科學(xué)依據(jù)。
氧的缺點(diǎn)
控制分子的結(jié)合和流動(dòng)方式,對(duì)電池儲(chǔ)存和釋放能量至關(guān)重要。在鋰離子電池中,充電時(shí),鋰離子從正極通過電解質(zhì)流向負(fù)極;放電時(shí),相同的離子會(huì)返回正極,精確地回到所屬晶格中,晶格里還有其他原子,比如氧、鎳、鈷和鎂。這種循環(huán)往復(fù)使電池能夠儲(chǔ)存和釋放能量。
為了促進(jìn)這一過程,科學(xué)家們利用氧作為電子的供體,增加從正極中流出的鋰。但是,“被激發(fā)”的氧原子能對(duì)精心構(gòu)造的正極造成破壞。PNNL研究小組發(fā)現(xiàn),這些氧分子是制造混亂的罪魁禍?zhǔn)祝鼈兊牧鲃?dòng)性很強(qiáng),很可能從表面逃逸,導(dǎo)致電池容量減少,最終導(dǎo)致電池故障,它們可以輕松地交換分子位置,從而影響電池結(jié)構(gòu)。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的PNNL科學(xué)家Chongmin Wang表示:“利用氧原子提供電子,可以增加容量。然而,這是要付出代價(jià)的,人們還沒有意識(shí)到這一點(diǎn)。我們知道氧可以提高電池的性能,但還沒有完全理解其中的原理?!?/p>
正極大戰(zhàn)
Wang的團(tuán)隊(duì)精確追蹤正極中氧發(fā)生的變化,揭示了分子之間進(jìn)行的“搶座位”游戲,其中包括被激發(fā)的氧“霸王”,它們趁機(jī)從整體結(jié)構(gòu)中離開,造成巨大的缺口,鋰離子阻礙了它們?cè)贩祷亍?/p>
研究小組發(fā)現(xiàn),氧原子貢獻(xiàn)電子后,過度激發(fā)的氧原子很容易從正極表面逃逸,在精心構(gòu)造的電池晶格中留下空位。表面的氧原子離開后,在整體結(jié)構(gòu)中,其他氧原子就會(huì)擠進(jìn)這些空位里。越來越多的氧分子也跟著發(fā)生連鎖反應(yīng),進(jìn)入空隙并逸出表面。隨著這一過程的繼續(xù),缺陷從正極表面一點(diǎn)點(diǎn)滲透至更深的材料中,形成大洞。這種位置交換會(huì)破壞電池之前有序的原子結(jié)構(gòu)。氧原子離開后留下的空位會(huì)形成空隙,造成巨大的屏障,阻止鋰離子回到原有位置。其他原子,如鎳、鎂、鈷和氧,開始四處移動(dòng),像惡霸一樣橫行霸道,在鋰進(jìn)行必要的化學(xué)反應(yīng)時(shí),很可能偷走原本屬于鋰的位置。
如果越來越多的鋰原子不能精確地回到自己在正極中的位置,那么,能夠在正負(fù)極之間往來的鋰原子就會(huì)減少,電池儲(chǔ)存的能量將越來越少。大量的空位或空隙會(huì)破壞晶格的穩(wěn)定性,導(dǎo)致容量減少,最終導(dǎo)致電池失效。
為任性的氧做保鏢
”一旦失去足夠的氧原子,電池容量就會(huì)損失,整個(gè)結(jié)構(gòu)隨之崩潰?!癢ang說。在此項(xiàng)研究中,他所在的PNNL團(tuán)隊(duì)與來自中國北京理工大學(xué)、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家展開合作。
該團(tuán)隊(duì)正在探索阻止此類缺陷的方法。有一種想法是穩(wěn)定表面的氧,將氧原子更緊密地鎖在應(yīng)有位置,阻止它們逃逸。研究人員正在嘗試?yán)醚趸喎肿邮┘踊瘜W(xué)影響,并充當(dāng)保鏢,使氧原子保持在適當(dāng)位置,從而減少氧損失。這有助于保持整體結(jié)構(gòu),讓鋰離子更從容地移動(dòng)。
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