锂离子电池寿命衰退的真正原因是什么？
来源：宝鄂实业
2019-10-21 22:01
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据国外媒体报道，由于高储能密度、金属氧化物、硫化物、氟化物等材料，有望成为电动汽车用锂离子电池的电极材料。然而，它们的储能能力迅速下降。近年来，科学家们发现，氧化铁电极对锂离子电池的损耗是由氧化锂的积累和电解液的分解引起的。
研究过程中使用的氧化铁电极是由廉价无毒的磁铁矿制成的。与目前的电极材料相比，磁铁矿等转换电极材料（即与锂反应时转化为新产品）可以储存更多的能量，因为它们可以容纳更多的锂离子。”然而，这些材料的储能能力衰减很快，取决于电流密度。例如，我们对磁铁矿的电化学测试表明，磁铁矿的容量在前10个高速充放电循环中迅速下降。”功能性纳米材料中心（CFN）电子显微镜小组组长董苏说。CFN是能源部科学用户设施办公室，位于布鲁克海文国家实验室。
为了找出循环不稳定的原因，科学家们试图观察电池完成100次循环后磁铁矿晶体结构和化学性质的变化。他们将透射电子显微镜（tem）和同步x射线吸收光谱（xas）相结合。透射电镜的电子束通过样品产生特征材料的结构图像或衍射图样。xas使用x射线检测材料的化学性质。
利用这些技术，科学家发现，在第一次放电过程中，磁铁矿被完全分解成金属铁纳米粒子和氧化锂。但在接下来的充电过程中，转化反应不是完全可逆的，铁和氧化锂的残留物仍然存在。此外，磁铁矿的“尖晶石”结构在带电状态下演化为“岩盐”结构（在这两种结构中，铁原子的位置并不完全相同）。在随后的充放电循环中，岩盐氧化铁与锂相互作用，以形成氧化锂和金属铁纳米粒子的复合材料。由于转化反应不完全可逆，这些残余产物会逐渐积累。科学家们还发现，电解液是导致锂离子在两个电极之间流动的化学介质，在随后的循环中会分解。
在研究结果的基础上，科学家提出了储能能力下降的原因。CFN电子显微镜小组的科学家兼联合首席作者Sooyeon Hwang说：“由于氧化锂的电子导电率低，它的积累将形成一个电子在电池正极和负极之间穿梭的屏障，我们称之为内钝化层。同样，电解质的分解也会形成表面钝化层，阻碍离子传导。这些屏障形成并阻止电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料。”
科学家们指出，通过降低充电速度和恢复部分容量，在低电流下运行电池可以为电子传输提供足够的时间；然而，要完全解决这个问题还需要其他解决方案。他们认为在电极材料中加入其他元素和改变电解液可以改善电容衰减。
