SLAC和斯坦福大学的科学家详细测量了氧是如何从构成锂离子电池电极的数十亿个纳米颗粒中渗出的，随着时间的推移，这些纳米颗粒会降低电池的电压和能效。在这个插图中，成对的红色球体是逃逸的氧原子，紫色球体是金属离子。这种新的理解可能会带来新的方法来最小化问题并提高电池性能。信用:格雷格·斯图尔特/ SLAC国家加速器实验室当锂离子在充电和放电过程中流入和流出电池电极时，一点点氧气渗出，电池电压——衡量其输送能量的指标——也会衰减一点点。损耗超过了时间e，最终会消耗电池10-15%的能量储存容量。现在，研究人员已经测量了这一超慢过程，细节没有受到影响，显示了逃逸的氧原子留下的空穴或空位如何改变电极的结构和化学性质，并逐渐减少它能储存的能量。
这些结果与科学家们对这一过程所做的一些假设相矛盾，并可能提出新的方法来设计电极来防止这种情况。
美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的研究团队今天在《自然能源》杂志上描述了他们的工作。
“我们能够在数百个周期内测量极少量的氧气缓慢流出，”彼得·切涅卡说，他是斯坦福大学的一名博士生，曾与威尔·楚副教授一起从事这项实验。“它如此缓慢的事实也是它难以被发现的原因。”
双向摇椅
锂离子电池像摇椅一样工作，在两个临时储存电荷的电极之间来回移动锂离子。理想情况下，这些离子是组成每个电极的数十亿个纳米粒子中唯一进出的东西。但是研究人员早就知道，当锂来回移动时，氧原子会从粒子中漏出。细节很难确定，因为这些泄漏的信号太小，无法直接测量。
“超过500次电池充放电循环的氧气泄漏总量为6%，”Csernica说。“这不是一个很小的数字，但如果你试图测量每个循环中排出的氧气量，大约是百分之一百。”
在这项研究中，研究人员通过观察氧气损失如何改变粒子的化学和结构来间接测量泄漏。他们在几个长度尺度上跟踪了这一过程——从微小的纳米颗粒到纳米颗粒团，再到电极的整个厚度。
因为在电池工作的温度下，氧原子很难在固体材料中四处移动，所以传统观点认为氧泄漏只来自纳米粒子的表面，尽管这一直是有争议的。
为了更仔细地观察正在发生的事情，研究小组将电池循环不同的时间，将其拆开，并将电极纳米颗粒切片，在劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源下进行详细检查。在那里，一台专门的x光显微镜扫描样本，制作高分辨率图像，并探测每个微小斑点的化学成分。这些信息与一种叫做ptychogr aphy的计算技术相结合，揭示了纳米尺度的细节，以十亿分之一米为单位。
与此同时，在SLAC的斯坦福同步加速器光源，该团队通过整个电极拍摄x光，以确认他们在纳米尺度上看到的东西在更大的尺度上也是真实的。
一阵，然后是涓涓细流
将实验结果与氧气损失可能发生的计算机模型进行比较，研究小组得出结论，氧气最初从颗粒表面逸出，随后从内部缓慢流出。当纳米粒子聚集在一起形成更大的团块时，团块中心附近的纳米粒子比表面附近的纳米粒子损失更少的氧气。
他说，另一个重要的问题是氧原子的损失如何影响它们留下的物质。“这实际上是一个大谜团，”他说。“想象一下，纳米粒子中的原子就像密密麻麻的球体。如果你一直取出氧原子，整个结构可能会崩溃并致密化，因为结构喜欢保持紧密堆积。”
由于电极结构的这一方面不能直接成像，科学家们再次将其他类型的实验观察与各种氧气损失场景的计算机模型进行了比较。结果表明，空位确实存在——材料不会破裂和致密化——并表明它们是如何导致电池逐渐衰退的。
“当氧气离开时，周围的锰、镍和钴原子会迁移。所有的原子都在跳出它们理想的位置，”觉说。“随着时间的推移，金属离子的这种重排，以及缺失的氧气引起的化学变化，会降低电池的电压和效率。人们早就知道这一现象的某些方面，但机制尚不清楚。”
现在，他说，“我们对电池退化的这一重要来源有了科学的、自下而上的理解”，这可能会导致减轻氧气损失及其破坏性影响的新方法。
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