原来氧气流失才是导致电池性能降低的“元凶”!

最新研究表明,一直以来大家都低估了氧气在限制锂离子电池性能方面的作用。日本和美国最新发表的研究试图更深入地研究锂离子存储核心的化学反应,并更好地描述在这些反应中释放的少量氧气对电池性能和安全产生的累积效应。

尽管锂离子电池为我们每天依赖的各种设备提供动力,在车辆和电网中的应用也迅速增加,但在性能和寿命方面的技术仍存在一些不足。

目前正在进行的很多改进电池技术的研究都集中在新材料上,同时也考虑到与几种常用材料相关的供应链和环境问题。但不管是使用哪种材料,能让科学家们细致观察电池内工作机制的复杂新技术,对于了解阻碍性能的问题发生在哪里以及如何解决这些问题至关重要。

之前发表的两项独立研究使用了这种技术来研究氧气在锂离子电池性能中的作用。众所周知,当电池充电和放电时,会释放出少量的氧气。但是这个过程的微小规模使得它很难被察觉到,而且氧气流失的广泛影响也没有被很好地理解。参与其中一项研究的斯坦福大学的科学家Peter Csernica解释道:“在500次的电池充放电循环中,氧气泄漏的总量是6%。这是个不小的数字,但如果测量每次循环中排出的氧气量,大约只有1%。”

在斯坦福大学领导的这项研究中,研究小组在循环后切开电池电极,用X射线显微镜扫描样品,并将其与计算成像相结合,观察纳米级的结构。他们还用X射线射穿整个电极,以确认他们在纳米级的观察结果可以应用于整个组件。该小组发现,氧气最初以“爆发性”的方式从表面释放,然后以较慢的“滴流”的方式从阴极深处释放。

他们发现,氧气的释放从根本上改变了阴极的结构,氧气离开时,周围的锰、镍和钴原子就会迁移,所有的原子都从它们的理想位置跳了出来。斯坦福大学副教授William Chueh解释道:“金属离子的这种重新排列,加上缺氧引起的化学变化,随着时间的推移,会降低电池的电压和效率。大家早已认知这一现象,但并不清楚其机理。”

在另一项研究中,由日本东北大学领导的科学家发现,在基于等量的镍、钴和锰的阴极中,氧的释放促进了几个不良反应,从而破坏电池结构,而阴极中高价镍的存在导致了更高水平的氧释放,并且该过程总体上降低了电池保持平衡电荷的能力。

东北大学的研究员Takashi Nakamura表示:“我们的发现将有助于进一步开发由过渡金属氧化物组成的高能量密度且坚固的下一代电池。”

这两项研究强调了氧气在电池降解过程中所起的作用,并证实了它可能是一个比以前认为的更重要的难题,有望为未来的工作提供基础,考虑甚至关注限制循环过程中氧气的损失以及这对电池的破坏性影响。

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