锂离子电池寿命变短的原因是什么？

美国科学家发表于最新一期《科学进展》杂志的论文说，锂离子电池中的锂离子浓度会发生涨落变化，这解释了锂离子电池寿命变短的原因，并有望帮助开发充电更快、待机时间更久的电池。

由美国能源部布鲁克黑文国家实验室领导的一个研究团队近日发现，当电池产生电流时，若电池的电极是由纳米粒子制成的，纳米粒子部分区域里的锂离子浓度会先上升，然后下降，而非此前一直认为的浓度会持续增加。

晶格是晶体内部的粒子按一定几何图形排列而成的结构。锂离子电池的工作原理是锂离子在正负极晶格间移动，充电时，锂离子从正极流到负极，放电时正相反。

“与海绵吸水类似，我们看到纳米粒子里锂离子的总浓度在不断增加，”主持该研究的布鲁克黑文国家实验室可持续能源技术部科学家王冯说，“但与水不同，锂离子会选择性地从某些区域流出，这造成晶格间锂离子浓度不一致。”

研究人员指出，锂离子进入晶格前，晶格的结构很均匀，一旦锂离子进入，就会拉伸晶格，当锂离子流出时，晶格又收缩了。锂离子的不均匀运动可能造成持久性损害，原因是它使电池内活性成分的结构变形，并可能导致电池疲劳失效。

研究人员推测这种现象也可能发生在其他高性能电池的化学物质中，该研究结果可有助于开发充电时间更短、待机时间更长的电池。

Wolverton的团队与Argonne国家实验室的研究人员合作成功研制出了一种可充电的锂-氧化铁电池，这种电池能够比普通的锂钴氧化物电池循环使用更多的锂离子。

      结果是得到一个更大容量的电池，这将使得由电池供电的电动汽车和智能手机持续工作更长时间。

      西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授Wolverton说:我们对电池的计算结果是十分兴奋的，但是如果没有实验证实，就会有很多怀疑论者怀疑它的科学性。事实上他确实作用是很显著的。

      这项由美国能源部能源前沿研究中心(Energy Frontier research Center program)支持的研究最近在《自然能源》(Nature Energy)杂志上发表。在 Wolverton实验室的博士生Zhenpeng Yao和Argonne的博士后Chun Zhan是该论文的第一批作者。阿贡领导了这项研究的实验部分，沃尔弗顿和姚明负责计算开发。

      锂离子电池的工作原理是在阳极和阴极间来回穿梭锂离子。当电池充电时，离子会移动到阳极。阴极由一种由过渡金属、锂离子和氧组成的化合物生成。过渡金属通常是钴，当锂离子从阳极传递到阴极然后再返回时，有效地储存和释放电能。然后阴极的容量被过渡金属中的电子数量给限制了。

      20年来，锂钴氧化物电池一直在商业上可用，但研究人员长期以来一直在寻找更大容量、更便宜的替代品。Wolverton的团队利用两种策略增强了普通的锂钴氧化物电池: 用铁代替钴迫使氧气参与反应过程。

      如果氧气还能储存和释放电能，电池将有更大的容量储存，然后使用越来越多的锂。尽管其他研究团队过去也尝试过这种方法，但只有少数人成功。

      “以前的问题是，如果你试图让氧气参与反应，化合物就会变得不稳定，”Yao说。“氧气会从电池中释放出来，使反应不可逆。

      Wolverton和Yao通过计算发现了一种能够使工作可逆的公式。他们首先用铁代替钴，这是有益的，因为它是周期表上最便宜的元素之一。通过计算，他们发现了锂、铁和氧离子的正确平衡方式，以便让铁和氧同时驱动可逆反应，防止氧气的逸出。

      Wolverton说“由于我们从金属和氧得到电子，而且我们使用的金属是铁，我们的电池不仅有很有趣的化学成分，而且有可能制造出更加便宜的电池”

      另一个重要的方面是，完全充电电池不是一个锂离子开始的而是由四个锂离子开始的。目前的反应是能够可逆地利用其中一个锂离子，主要是提高现有电池的容量。然而，通过使用氧气和铁来驱动整个反应的可能性确实是诱人的。

      “每个金属有四个锂离子，这将改变一切，” Wolverton说。“这意味着你的手机可以延长8倍，或者你的车能开8倍的距离。如果电动车能够在行驶里程和成本方面与汽油动力汽车竞争，那么这将改变世界。”

      Wolverton已经向西北大学的创新和风险投资办公室提出了电池的临时专利。展望未来，沃尔弗顿和他的团队计划发现其他的化合物来证明这一策略可以发挥作用。