科學家發現：分子搶座位 損害電池性能

(圖源：PNNL官網)

蓋世汽車訊 據外媒報道，太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科學家們發現，電池中的分子也會玩一種「搶座位」的遊戲，進而損害電池性能。研究人員證明，氧原子的激發能夠提升鋰離子電池性能，同時也會造成損傷。這一發現為製造壽命更長、容量更大的可充電鋰離子電池提供科學依據。

氧的缺點

控制分子的結合和流動方式，對電池儲存和釋放能量至關重要。在鋰離子電池中，充電時，鋰離子從正極通過電解質流向負極；放電時，相同的離子會返回正極，精確地回到所屬晶格中，晶格里還有其他原子，比如氧、鎳、鈷和鎂。這種循環往複使電池能夠儲存和釋放能量。

為了促進這一過程，科學家們利用氧作為電子的供體，增加從正極中流出的鋰。但是，「被激發」的氧原子能對精心構造的正極造成破壞。PNNL研究小組發現，這些氧分子是製造混亂的罪魁禍首，它們的流動性很強，很可能從表面逃逸，導致電池容量減少，最終導致電池故障，它們可以輕鬆地交換分子位置，從而影響電池結構。

領導這項研究的PNNL科學家Chongmin Wang表示：「利用氧原子提供電子，可以增加容量。然而，這是要付出代價的，人們還沒有意識到這一點。我們知道氧可以提高電池的性能，但還沒有完全理解其中的原理。」

正極大戰

Wang的團隊精確追蹤正極中氧發生的變化，揭示了分子之間進行的「搶座位」遊戲，其中包括被激發的氧「霸王」，它們趁機從整體結構中離開，造成巨大的缺口，鋰離子阻礙了它們原路返回。

研究小組發現，氧原子貢獻電子後，過度激發的氧原子很容易從正極表面逃逸，在精心構造的電池晶格中留下空位。表面的氧原子離開後，在整體結構中，其他氧原子就會擠進這些空位里。越來越多的氧分子也跟著發生連鎖反應，進入空隙並逸出表面。隨著這一過程的繼續，缺陷從正極表面一點點滲透至更深的材料中，形成大洞。這種位置交換會破壞電池之前有序的原子結構。氧原子離開後留下的空位會形成空隙，造成巨大的屏障，阻止鋰離子回到原有位置。其他原子，如鎳、鎂、鈷和氧，開始四處移動，像惡霸一樣橫行霸道，在鋰進行必要的化學反應時，很可能偷走原本屬於鋰的位置。

如果越來越多的鋰原子不能精確地回到自己在正極中的位置，那麼，能夠在正負極之間往來的鋰原子就會減少，電池儲存的能量將越來越少。大量的空位或空隙會破壞晶格的穩定性，導致容量減少，最終導致電池失效。

為任性的氧做保鏢

」一旦失去足夠的氧原子，電池容量就會損失，整個結構隨之崩潰。「Wang說。在此項研究中，他所在的PNNL團隊與來自中國北京理工大學、勞倫斯伯克利國家實驗室和阿貢國家實驗室的科學家展開合作。

該團隊正在探索阻止此類缺陷的方法。有一種想法是穩定表面的氧，將氧原子更緊密地鎖在應有位置，阻止它們逃逸。研究人員正在嘗試利用氧化鋯分子施加化學影響，並充當保鏢，使氧原子保持在適當位置，從而減少氧損失。這有助於保持整體結構，讓鋰離子更從容地移動。

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