(图源:布罗克哈尔滨主页)

据外电报道,由于储能密度高,金属、氧化物、硫化物、氟化物等材料是前景非常好的电动车锂离子电池电极材料。然而,他们的能源储存能力下降得很快。最近,科学家们通过研究带有氧化铁电极的锂离子电池,发现电池放电100次以上后造成的损失是氧化锂积累和电解质分解造成的。

研究过程中使用的氧化铁电极由廉价无毒的磁铁矿制成。与目前的电极材料相比,可储存比磁铁矿等转换型电极材料(即与锂反应时转换为新产物)更多的能源。因为它能容纳更多锂。然而,这些材料的储能能力衰减非常快,依赖于电流密度。例如,对磁铁矿的电化学测试显示,磁铁矿的容量在前10个高速充电放电周期中迅速减少。“这位研究负责人、功能纳米材料中心(CFN)电子显微镜组的Dong Su领导人表示。CFN是位于布鲁克海文国立研究所的美国能源部科学用户设施办公室。

为了找到循环不稳定的原因,科学家们试图观察电池循环100次后磁铁矿晶体结构和化学性质的变化。他们结合透射电子显微镜(TEM)和同步加速器X射线吸收光谱(XAS)进行了研究。TEM的电子束通过样品传输,产生特征物质的结构图像或衍射图案,XAS利用X射线检测材料的化学性质。

科学家们发现,利用该技术首次放电时,磁铁矿完全分解成金属、铁、纳米粒子和氧化锂。但是,在下一次充电过程中,这种转换反应不是完全可逆的,金属铁和氧化锂的残留仍然存在。此外,磁铁矿原来的“Spinel”结构从带电状态演化成“岩盐”结构(两种结构中铁原子的位置不完全相同)。在后续的充电放电周期中,盐酸氧化铁与锂相互作用,形成氧化锂和金属铁纳米粒子的复合材料。因为转换反应不是完全可逆的,所以这些残留物会逐渐积累。科学家还发现电解质(使锂离子在两个电极之间流动的化学介质)在后续循环中分解。

在研究结果的基础上,科学家们提出了能源储存能力衰退的说明。CFN电子显微镜组的科学家、共同首席作者Sooyeon Hwang表示:“由于氧化锂的电子导电性较低,积累对电池阳极之间来回的电子形成障碍,这被称为内部钝化层。”同样,电解质分解也会形成表面钝化层,阻碍离子传导。这些障碍积累起来,防止电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料。”“。

科学家指出,在低电流下运行电池可以减缓充电速度,恢复部分容量,为电子传输提供充足的时间。但是,要彻底解决这个问题,还需要其他方案。他们认为,在电极材料中加入其他元素,改变电解质,可以改善容量衰减。

(责任编辑:HN666)

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