科學家發(fā)現(xiàn)了一種分子游戲，即“音樂椅”會損害電池性能。發(fā)表在《自然-納米技術》上的一項研究中，科學家展示了氧原子的激發(fā)如何促進鋰離子電池性能提高，同時也觸發(fā)了一個導致?lián)p傷的過程，從而解釋了科學家們一直困惑不解的現(xiàn)象。

這項研究指出了制造壽命更長、容量更大可充電鋰離子電池一個障礙背后的科學依據(jù)。這是一個意外的發(fā)現(xiàn)，每天都有一個過程發(fā)生在為手機、筆記本電腦和電動汽車提供動力的電池中。

氧的缺點

控制分子如何結合、流動對電池儲存和釋放能量的能力至關重要。在鋰離子電池中，充電過程包括鋰離子從陰極通過電解質到陽極的流動。在放電時，這些相同的離子會返回陰極，在那里它們應該重新回到嚴格控制的晶格中指定位置，其他原子，如氧、鎳、鈷和鎂，也在那里。這種前后不斷的變化使得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，增加鋰從陰極流出的流量。

但這導致了“被激發(fā)”的氧原子對精心構造的陰極造成破壞。PNNL研究小組發(fā)現(xiàn)，這些氧分子是制造混亂的罪魁禍首：它們具有很強的流動性，很可能會從表面逃逸，導致電池容量減少，最終導致電池故障，它們可以輕松地交換分子位置，從而對電池結構造成壓力。氧原子提供電子，這就增加了容量，但這是要付出代價的；人們還沒有意識到這一點。知道氧可以提高電池的性能，但還沒有完全理解其中的所有原理。

陰極大戰(zhàn)

研究團隊精確地追蹤了陰極中的氧發(fā)生了什么變化，揭示了一個關于分子音樂椅的故事，其中包括激發(fā)的氧“霸王”，它們機會主義式的離開結構造成了巨大缺口，鋰離子阻礙了它們從原來地方回來的努力?？茖W家發(fā)現(xiàn)，當氧原子貢獻了它們的電子后，產生的過度激發(fā)氧原子很容易從陰極表面逃逸，在精心構造的電池晶格中留下一個空位。當表面氧原子離開時，體積結構中的其他氧原子就會進入那些現(xiàn)在已經空了的縫隙。

越來越多的氧分子也跟著發(fā)生連鎖反應，進入空槽并從表面逸出。隨著這一過程的繼續(xù)，缺陷從陰極表面遷移到更深的材料中，形成一個大洞或空洞。這種活動模擬了一個我們很多人都非常熟悉的過程：蛀牙，從表面的一個小缺陷開始，但最終會變得更深，導致更大的問題。這種位置交換破壞了電池之前有序的原子結構，其他原子，如鎳、鎂、鈷和氧，開始四處移動，很可能鋰在進行有用的電池化學反應時，偷走一個指定給鋰的座位。

離開的氧原子留下空位開始聚集成空隙，形成巨大的屏障，阻止鋰離子回到原來的位置。當更少的鋰原子能夠重新確定自己在陰極中的正確位置時，更少的鋰原子能夠在陽極和陰極之間往返，這意味著電池儲存的能量越來越少。最終，大量的空位或空隙會使晶格不穩(wěn)定，導致容量減少，最終導致電池故障。

為任性的氧氣做保鏢

一旦失去了足夠的氧原子，電池就會失去容量，整個結構就會崩潰。研究團隊正在探索阻止此類缺陷的方法，一種想法是穩(wěn)定表面的氧原子——將氧原子更緊密地鎖在應有位置，使它們不太可能從表面逃逸?？茖W家正在探索如何利用氧化鋯分子來施加其化學影響，并充當一種保鏢，使氧原子保持在適當?shù)奈恢谩＿@將意味著更少的氧損失，并將有助于保持整個結構的秩序，讓鋰離子可以輕松地來回移動。

博科園｜研究/來自：環(huán)境分子科學實驗室

參考期刊《自然納米技術》

DOI: 10.1038/s41565-019-0428-8

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