科学家新发现：分子抢座位损害电池性能

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盖世汽车网 2020-04-29 次浏览

据外媒报道，太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家们发现，电池中的分子也会玩一种“抢座位”的游戏，进而损害电池性能。研究人员证明，氧原子的激发能够提升锂离子电池性能，同时也会造成损伤。这一发现为制造寿命更长、容量更大的可充电锂离子电池提供科学依据。

图源：PNNL官网

氧的缺点

控制分子的结合和流动方式，对电池储存和释放能量至关重要。在锂离子电池中，充电时，锂离子从正极通过电解质流向负极；放电时，相同的离子会返回正极，精确地回到所属晶格中，晶格里还有其他原子，比如氧、镍、钴和镁。这种循环往复使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，增加从正极中流出的锂。但是，“被激发”的氧原子能对精心构造的正极造成破坏。PNNL研究小组发现，这些氧分子是制造混乱的罪魁祸首，它们的流动性很强，很可能从表面逃逸，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，从而影响电池结构。

领导这项研究的PNNL科学家Chongmin Wang表示：“利用氧原子提供电子，可以增加容量。然而，这是要付出代价的，人们还没有意识到这一点。我们知道氧可以提高电池的性能，但还没有完全理解其中的原理。”

正极大战

Wang的团队精确追踪正极中氧发生的变化，揭示了分子之间进行的“抢座位”游戏，其中包括被激发的氧“霸王”，它们趁机从整体结构中离开，造成巨大的缺口，锂离子阻碍了它们原路返回。

研究小组发现，氧原子贡献电子后，过度激发的氧原子很容易从正极表面逃逸，在精心构造的电池晶格中留下空位。表面的氧原子离开后，在整体结构中，其他氧原子就会挤进这些空位里。越来越多的氧分子也跟着发生连锁反应，进入空隙并逸出表面。随着这一过程的继续，缺陷从正极表面一点点渗透至更深的材料中，形成大洞。这种位置交换会破坏电池之前有序的原子结构。氧原子离开后留下的空位会形成空隙，造成巨大的屏障，阻止锂离子回到原有位置。其他原子，如镍、镁、钴和氧，开始四处移动，像恶霸一样横行霸道，在锂进行必要的化学反应时，很可能偷走原本属于锂的位置。

如果越来越多的锂原子不能精确地回到自己在正极中的位置，那么，能够在正负极之间往来的锂原子就会减少，电池储存的能量将越来越少。大量的空位或空隙会破坏晶格的稳定性，导致容量减少，最终导致电池失效。

为任性的氧做保镖

“一旦失去足够的氧原子，电池容量就会损失，整个结构随之崩溃。”Wang说。在此项研究中，他所在的PNNL团队与来自中国北京理工大学、劳伦斯伯克利国家实验室和阿贡国家实验室的科学家展开合作。

该团队正在探索阻止此类缺陷的方法。有一种想法是稳定表面的氧，将氧原子更紧密地锁在应有位置，阻止它们逃逸。研究人员正在尝试利用氧化锆分子施加化学影响，并充当保镖，使氧原子保持在适当位置，从而减少氧损失。这有助于保持整体结构，让锂离子更从容地移动。

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