科學家發現了鋰離子電池失效的原因

據外媒報道，由于儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物等數據，是電動汽車鋰離子電池極具發展前景的數據。然而，它們能夠快速儲存能量。摘要研究發現，一種具有氧化鐵電極的鋰離子電池在經過100多次充放電后，因鋰氧化物的積累和電解液的分化而出現損傷。

研究中使用的氧化鐵電極是由廉價、無毒的磁鐵礦制成的。轉換電極數據，如磁鐵礦，與鋰發生反應并轉換成新產品，可以存儲更多的能量，因為它們比當前的電極數據包含更多的鋰離子。然而，儲存在數據中的能量衰減得非常快，這取決于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學測試表明，磁鐵礦的容量在前10個高速充放電循環中迅速下降。主持這項研究并在功能納米材料中心(CFN)領導電子顯微鏡小組的董蘇說。CFN是美國能源部科學用戶設備辦公室，位于布魯克海文國家實驗室。

為了找出循環不穩定的原因，科學家們試圖研究電池完成100次循環后，磁鐵礦的晶體結構和化學性質是如何變化的。他們將透射電子顯微鏡(TEM)和同步x射線吸收光譜(XAS)結合起來。TEM的電子束通過樣品、結構圖像或捕獲特點材料的衍射圖像進行傳輸，XAS使用x射線檢測數據的化學性質。

利用這些技術，科學家們發現，在第一次放電時，磁鐵礦被徹底分化成金屬鐵納米顆粒和鋰氧化物。但是在后續的充電過程中，這種轉化反應并不是完全可逆的，金屬鐵和鋰氧化物的殘留物依然存在。此外，磁鐵礦最初的尖晶石結構演化成帶電荷的巖鹽結構(兩種結構中的鐵原子并不完全相同)。在隨后的充放電循環中，巖鹽氧化鐵與鋰相互用途，形成鋰氧化物與金屬鐵納米顆粒的復合材料。因為轉化反應不是完全可逆的，所以這些剩余的產物會逐漸積累。科學家們還發現，電解質(在電極之間移動鋰離子的化學介質)在隨后的循環中會發生分化。

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在研究成果的基礎上，科學家們提出了一種儲能的解釋方法。由于鋰氧化物的電子導電性很低，它的堆積阻礙了電池正極和負極之間的電子流動，我們稱之為內部鈍化層。同樣，電解質分化在表面形成鈍化層，阻止離子傳導。這些障礙的積累，并阻止電子和鋰離子到達活性電極數據的電化學響應。

科學家們指出，在低電流下運行電池可以通過降低充電速度來滿足電子傳輸的需求，從而恢復部分容量;但是，還要其他的解決方法來一勞永逸地解決這個問題。他們認為在電極數據中加入其他元素并改變電解質可以改善容量衰減。