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科学家发现:分子抢座位 损害电池性能
加入时间:2019-08-26        来源:盖世汽车网


  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。

  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。


(责任编辑:张旭庆)
 
 
 
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