环境分子科学实验室 电池运行300个循环后，阴极(上图)和阴极的原始原子结构形成空洞(黑暗区域)(下图)
学分:环境分子科学实验室 太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家发现了一种损害电池性能的音乐椅分子游戏
在《自然纳米技术》杂志上发表的一篇文章中，研究人员展示了激发氧原子如何有助于提高锂离子电池的性能，同时引发导致损坏的过程，解释了一个对科学家来说一直是个谜的现象
这项研究指出了制造寿命更长、容量更高的可充电锂离子电池道路上的一个障碍背后的科学
这是一个意想不到的发现，这个过程每天都发生在为手机、笔记本电脑和电动汽车供电的电池中
氧气的坏处 控制分子如何结合和流动对电池储存和释放能量至关重要
在锂离子电池中，充电过程包括锂离子从阴极通过电解液流向阳极
在放电时，这些相同的离子返回到阴极，在那里它们应该回到它们在严格控制的晶格中的指定位置，在那里其他原子，例如氧、镍、钴和镁也存在
这种不断的往复运动使得电池能够储存和释放能量
为了加速这一过程，科学家们通过使用氧作为电子供体来增加锂从阴极的流量，但这导致了“受激”的氧原子，这会对精心构建的阴极造成严重破坏
PNNL团队发现，这些氧分子是恶作剧的制造者:它们流动性很强，很可能会从表面逃逸，导致容量减少，最终导致电池失效，而且它们可以轻松地交换分子位置，从而增强电池的结构
“氧原子提供电子，这增加了容量
但是要付出代价；领导这项研究的PNNL科学家王重民说
“我们知道氧气可以提高电池的性能，但是我们还没有完全理解其中的所有原理
" 阴极之战 王的研究小组精确地追踪到了阴极中的氧发生了什么变化，揭示了一个分子音乐椅的故事，其中包括兴奋的氧“恶霸”，由它们机会性地离开结构而产生的巨大间隙，以及锂离子阻碍了它们从它们来的地方返回的努力
研究小组表明，过度兴奋的氧原子——当氧原子贡献出它们的电子时产生的——容易从阴极表面逃逸，在精心构建的电池晶格中留下一个空位
当表面的氧原子离开时，主体结构中的额外氧原子挤入那些现在空着的缝隙
越来越多的氧分子在连锁反应中紧随其后，进入空槽并从表面逃逸
随着该过程的继续，缺陷从阴极表面更深地迁移到材料中，产生大的孔或空隙
这项活动模仿了一个我们很多人都非常熟悉的过程:蛀牙，它始于表面的一个小缺陷，但最终会变得更深，导致更大的问题
位置交换对电池先前有序的原子结构造成了严重破坏
其他原子，如镍、镁、钴和氧，开始四处移动，并有效地像恶霸一样行动，很可能在锂离开进行有用的电池化学反应时，窃取了指定给锂的座位
离去的氧原子留下的空位开始聚集成空洞，形成强大的屏障，阻止锂离子回到它们所属的地方
当越来越少的锂原子能够在阴极的正确位置重新定位时，就越来越少的锂原子能够在阳极和阴极之间往返
这意味着电池储存的能量越来越少
最终，大量的空位或空隙使晶格不稳定，导致容量降低，最终导致电池失效
任性氧气的保镖 “一旦你失去了足够多的氧原子，电池就会失去容量，整个结构就会坍塌，”王说，他的团队还与来自中国北京工业大学、劳伦斯·伯克利国家实验室和阿尔贡国家实验室的科学家合作
该团队正在探索阻止此类缺陷的方法
一个想法是稳定表面的氧——将氧原子更紧密地锁定在它们正确的位置，使它们不太可能从表面逃逸
王的团队正在探索使用氧化锆分子来发挥其化学影响，并作为一种保镖，以保持氧原子在适当的位置
这将意味着更少的氧气损失，并有助于保持整个结构有序，使锂离子可以轻松地来回移动
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