隨著時間推移，鋰離子電極內(nèi)的微量氧氣流失會削弱電池性能。
增強鋰離子電池性能通常需要仔細的、極其準確的測量材料性能的變化。眾所周知，當(dāng)鋰離子在充電與放電的過程中流動，電池的電壓會降低，隨著時間的推移，這些損失累積會導(dǎo)致電池的能量儲存容易會降低10-15%。
氧氣空穴
在電池充放電循環(huán)過程中，會有極其微量的氧氣滲出。SLAC國家加速實驗室（美國能源部下屬的國家實驗室，由斯坦福大學(xué)負責(zé)運行管理）的研究員對這一超慢過程進行了非常詳細的測量，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儲存的。’
這項研究在SLAC新聞發(fā)布會上進行描述，斯坦福大學(xué)Ph.D Peter Csernica說：“在與副教授Will Chueh合作的實驗中，我們能夠在數(shù)百個周期內(nèi)測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?！?
鋰離子電池通過在陰極（正極）與陽極（負極）之間來回移動鋰離子來臨時存儲電荷。研究人員發(fā)現(xiàn)某些時候，隨著鋰來回移動時，構(gòu)成每個電極的數(shù)十億粒子中會有氧原子流失。測量這些氧氣損失是很困難的。Csernica說：“氧氣流失的總量在超過500次充放電的循環(huán)中達到6%。這不是一個小數(shù)字，但如果你嘗試在每一次充放電循環(huán)中測量氧氣流失的量，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，傳統(tǒng)觀點認為氧流失只來自納米粒子的表面。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)，而不是試圖直接測量氧氣流失。他們分別在幾個長度上進行了氧氣運動軌跡，從最小的納米粒子到成團的納米粒子，再到電極的整個厚度。
通過調(diào)查，勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源（Lawrence Berkeley National Laboratory’s Advanced Light Source）研究團隊根據(jù)電池循環(huán)不同的時間，將電池拆解，并將電極納米粒子切片進行詳細分析檢查。使用專門的X射線顯微鏡對樣品進行掃描，生成高分辨率圖像，仔細觀察每一個細小化學(xué)成分展示納米尺度的細節(jié)，以十億分之一米為測量單位。
將試驗結(jié)果與計算機模型相對比，觀察氧氣流失的可能性。研究團隊總結(jié)：最初的氧氣流失是從表面開始的，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指出另一個非常重要的問題氧原子的流失是如何影響留下的材料。Chueh說：“這事實上是一個很大的謎團。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，那所有的東西會因為結(jié)構(gòu)的變化而崩塌和致密化?！?
該研究團隊說：“自從電極結(jié)構(gòu)這一方面無法直接成像，科學(xué)家們再一次將其他類型的實驗觀察結(jié)果與各種氧氣流失情景的計算機模型進行了比較。其結(jié)果表明空穴的確存在，材料不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩塌和致密化，從而說明氧氣的流失是如何導(dǎo)致電池電量逐漸下降的?！?
Chueh說：“當(dāng)氧氣滲出時，周圍的錳原子，鎳原子和鈷原子也隨著移動。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，會隨著時間的推移降低電池電壓及效率。我們早就知道這些現(xiàn)象，可是不知其真正的原因。”
現(xiàn)在，我們對電池退化的重要來源有了科學(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行了詳細測量，隨著時間的推移，這些納米粒子會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。這一新的認識可能將問題降至最低并改善電池性能。
中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯
