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电池报废的根本原因:氧原子发动的“阴极大战”导致!

信息来源:batterydir.com  时间:2019-07-28  浏览次数:17

科学家发现了一种分子游戏,即“音乐椅”会损害电池性能。发表在《自然-纳米技术》上的一项研究中,科学家展示了氧原子的激发如何促进锂离子电池性能提高,同时也触发了一个导致损伤的过程,从而解释了科学家们一直困惑不解的现象。这项研究指出了制造寿命更长、容量更大可充电锂离子电池一个障碍背后的科学依据。这是一个意外的发现,每天都有一个过程发生在为手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力的电池中。

氧的缺点

控制分子如何结合、流动对电池储存和释放能量的能力至关重要。在锂离子电池中,充电过程包括锂离子从阴极通过电解质到阳极的流动。在放电时,这些相同的离子会返回阴极,在那里它们应该重新回到严格控制的晶格中指定位置,其他原子,如氧、镍、钴和镁,也在那里。这种前后不断的变化使得电池能够储存和释放能量。为了促进这一过程,科学家们利用氧作为电子的供体,增加锂从阴极流出的流量。

电池报废的根本原因:氧原子发动的“阴极大战”导致!

但这导致了“被激发”的氧原子对精心构造的阴极造成破坏。PNNL研究小组发现,这些氧分子是制造混乱的罪魁祸首:它们具有很强的流动性,很可能会从表面逃逸,导致电池容量减少,最终导致电池故障,它们可以轻松地交换分子位置,从而对电池结构造成压力。氧原子提供电子,这就增加了容量,但这是要付出代价的;人们还没有意识到这一点。知道氧可以提高电池的性能,但还没有完全理解其中的所有原理。

阴极大战

研究团队精确地追踪了阴极中的氧发生了什么变化,揭示了一个关于分子音乐椅的故事,其中包括激发的氧“霸王”,它们机会主义式的离开结构造成了巨大缺口,锂离子阻碍了它们从原来地方回来的努力。科学家发现,当氧原子贡献了它们的电子后,产生的过度激发氧原子很容易从阴极表面逃逸,在精心构造的电池晶格中留下一个空位。当表面氧原子离开时,体积结构中的其他氧原子就会进入那些现在已经空了的缝隙。

电池报废的根本原因:氧原子发动的“阴极大战”导致!

越来越多的氧分子也跟着发生连锁反应,进入空槽并从表面逸出。随着这一过程的继续,缺陷从阴极表面迁移到更深的材料中,形成一个大洞或空洞。这种活动模拟了一个我们很多人都非常熟悉的过程:蛀牙,从表面的一个小缺陷开始,但最终会变得更深,导致更大的问题。这种位置交换破坏了电池之前有序的原子结构,其他原子,如镍、镁、钴和氧,开始四处移动,很可能锂在进行有用的电池化学反应时,偷走一个指定给锂的座位。

电池报废的根本原因:氧原子发动的“阴极大战”导致!

离开的氧原子留下空位开始聚集成空隙,形成巨大的屏障,阻止锂离子回到原来的位置。当更少的锂原子能够重新确定自己在阴极中的正确位置时,更少的锂原子能够在阳极和阴极之间往返,这意味着电池储存的能量越来越少。最终,大量的空位或空隙会使晶格不稳定,导致容量减少,最终导致电池故障。

为任性的氧气做保镖

一旦失去了足够的氧原子,电池就会失去容量,整个结构就会崩溃。研究团队正在探索阻止此类缺陷的方法,一种想法是稳定表面的氧原子——将氧原子更紧密地锁在应有位置,使它们不太可能从表面逃逸。科学家正在探索如何利用氧化锆分子来施加其化学影响,并充当一种保镖,使氧原子保持在适当的位置。这将意味着更少的氧损失,并将有助于保持整个结构的秩序,让锂离子可以轻松地来回移动。

博科园|研究/来自:环境分子科学实验室

参考期刊《自然纳米技术》

DOI: 10.1038/s41565-019-0428-8

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