隨著時(shí)間推移，鋰離子電極內(nèi)的微量氧氣流失會(huì)削弱電池性能。
增強(qiáng)鋰離子電池性能通常需要仔細(xì)的、極其準(zhǔn)確的測(cè)量材料性能的變化。眾所周知，當(dāng)鋰離子在充電與放電的過(guò)程中流動(dòng)，電池的電壓會(huì)降低，隨著時(shí)間的推移，這些損失累積會(huì)導(dǎo)致電池的能量?jī)?chǔ)存容易會(huì)降低10-15%。
氧氣空穴
在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，會(huì)有極其微量的氧氣滲出。SLAC國(guó)家加速實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)能源部下屬的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，由斯坦福大學(xué)負(fù)責(zé)運(yùn)行管理）的研究員對(duì)這一超慢過(guò)程進(jìn)行了非常詳細(xì)的測(cè)量，結(jié)果表明‘流失的氧原子的空穴或空位是如何改變電極結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的，以及如何逐漸減少能量?jī)?chǔ)存的。’
這項(xiàng)研究在SLAC新聞發(fā)布會(huì)上進(jìn)行描述，斯坦福大學(xué)Ph.D Peter Csernica說(shuō)：“在與副教授Will Chueh合作的實(shí)驗(yàn)中，我們能夠在數(shù)百個(gè)周期內(nèi)測(cè)量出極其微量的氧氣流出，其速度非常緩慢，這也是為什么很難查到的原因?！?
鋰離子電池通過(guò)在陰極（正極）與陽(yáng)極（負(fù)極）之間來(lái)回移動(dòng)鋰離子來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)電荷。研究人員發(fā)現(xiàn)某些時(shí)候，隨著鋰來(lái)回移動(dòng)時(shí)，構(gòu)成每個(gè)電極的數(shù)十億粒子中會(huì)有氧原子流失。測(cè)量這些氧氣損失是很困難的。Csernica說(shuō)：“氧氣流失的總量在超過(guò)500次充放電的循環(huán)中達(dá)到6%。這不是一個(gè)小數(shù)字，但如果你嘗試在每一次充放電循環(huán)中測(cè)量氧氣流失的量，大約是1%?！?
在電池工作的溫度下，氧原子在固體材料中很難移動(dòng)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為氧流失只來(lái)自納米粒子的表面。SLAC研究人員正在研究氧的損失如何改變粒子的化學(xué)和結(jié)構(gòu)，而不是試圖直接測(cè)量氧氣流失。他們分別在幾個(gè)長(zhǎng)度上進(jìn)行了氧氣運(yùn)動(dòng)軌跡，從最小的納米粒子到成團(tuán)的納米粒子，再到電極的整個(gè)厚度。
通過(guò)調(diào)查，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光源（Lawrence Berkeley National Laboratory’s Advanced Light Source）研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)電池循環(huán)不同的時(shí)間，將電池拆解，并將電極納米粒子切片進(jìn)行詳細(xì)分析檢查。使用專門的X射線顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行掃描，生成高分辨率圖像，仔細(xì)觀察每一個(gè)細(xì)小化學(xué)成分展示納米尺度的細(xì)節(jié)，以十億分之一米為測(cè)量單位。
將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模型相對(duì)比，觀察氧氣流失的可能性。研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)：最初的氧氣流失是從表面開(kāi)始的，隨后從內(nèi)部緩慢流出。當(dāng)納米粒子凝聚為一體形成更大的一組是，那些靠近中心的部分要比表面流失更少的氧氣。
留下了什么
Chueh指出另一個(gè)非常重要的問(wèn)題氧原子的流失是如何影響留下的材料。Chueh說(shuō)：“這事實(shí)上是一個(gè)很大的謎團(tuán)。想象一下納米粒子中的原子像是緊密堆積的球體。如果你不斷取出氧原子，那所有的東西會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的變化而崩塌和致密化?！?
該研究團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“自從電極結(jié)構(gòu)這一方面無(wú)法直接成像，科學(xué)家們?cè)僖淮螌⑵渌愋偷膶?shí)驗(yàn)觀察結(jié)果與各種氧氣流失情景的計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行了比較。其結(jié)果表明空穴的確存在，材料不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩塌和致密化，從而說(shuō)明氧氣的流失是如何導(dǎo)致電池電量逐漸下降的?！?
Chueh說(shuō)：“當(dāng)氧氣滲出時(shí)，周圍的錳原子，鎳原子和鈷原子也隨著移動(dòng)。所有原子都偏離了理想位置。這種金屬離子的重組隨著氧氣流失而引起的化學(xué)變化，會(huì)隨著時(shí)間的推移降低電池電壓及效率。我們?cè)缇椭肋@些現(xiàn)象，可是不知其真正的原因。”
現(xiàn)在，我們對(duì)電池退化的重要來(lái)源有了科學(xué)的、從淺入深的理解，這可能是導(dǎo)致減少氧氣流失及其破壞性影響的新方法。
插圖中顯示：SLAC與斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)構(gòu)成鋰離子電池電極的數(shù)十億的納米粒子的氧氣如何滲出進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，隨著時(shí)間的推移，這些納米粒子會(huì)降低電池的電壓和能量效率。圖中，紅色球體是滲出的氧原子，紫色球體是金屬離子。這一新的認(rèn)識(shí)可能將問(wèn)題降至最低并改善電池性能。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
