“找出金属氧化物电池材料容量损失的原因”

金属氧化物、硫化物、氟化物等储存密度高的材料是电动车辆等技术中用于锂离子电池的有前景的电极材料。 但是，它们的容量会迅速消失。 目前，正在研究由廉价无毒的氧化铁材料磁铁矿制成的电极的科学家，提出了在5月20日的自然通信在线期刊中说明其理由的场面。

研究负责人董苏说，磁铁矿和其他转换型电极材料，也就是与锂反应转换成全新产品的材料，可以容纳更多的锂离子，因此比现在的电极材料能够储存越来越多的能量。 、功能纳米材料中心( cfn )电镜集团负责人，美国能源部) doe )布鲁克海文国立实验室科学客户设施办公室。 但是，这些材料的容量很快下降的同时也取决于电流密度。 例如，在磁铁矿的电化学测试中发现，在前10次高速充电和放电循环中，容量会迅速下降。

为了找出这种不良循环稳定性背后的原因，科学家们解释了磁铁矿的晶体结构和化学性质是如何随着电池达到100个循环而演化的。 针对这些特征性的研究，他们将cfn的透射电子显微镜( tem )和高级光子源( aps )的同步加速器x射线吸收光谱( xas ) -阿尔贡国家研究所的doe科学客户设施办公室组合起来。 在tem中，电子束透过样品，生成材料结构图像和衍射图案特性； xas利用x射线束检测材料的化学性质。

利用这些技术，科学家发现磁铁矿在最初的放电过程中完全分解成金属铁纳米粒子和氧化锂。 在下一个反应中，这个转换反应并不完全可逆。 金属和氧化锂的残留物仍然存在。 另外，磁铁矿的原始尖晶石结构在带电状态下变化为岩盐结构(两个结构中铁原子的位置不完全相同)。 在随后的充电和放电循环中，岩盐氧化铁和锂相互作用形成氧化锂和金属铁纳米粒子的复合体。 因为变换反应不是完全可逆的，所以这些残留生成物会累积。

su说，在超高真空的实时tem研究中，可以看到岩盐氧化铁的结构随着锂初期循环后的导入而发生了什么变化。 该研究独特地代表了预循环样品的原位锂化。 以前的原位研究只考虑了最初的充放电循环。 但是，带电电极与原来的状态不同，因此为了设计更持久的电池，有必要知道在很多循环中会发生什么。

基于他们的研究结果，科学家们提出了容量衰减的解释。

cfn电子显微镜组的科学家sooyeon hwang解释说，由于氧化锂具有低的电子传导性，其积累会对往返于电池正极和负极之间的电子形成势垒。 。 这个屏障称为内部钝化层。 同样，电解通过形成表面钝化层来阻碍离子传导。 这种障碍物的积累会阻止电子和锂离子到达发生电化学反应的活性电极材料。

科学家指出，用低电流操作电池可以通过减慢充电速度来恢复一点容量，为电子传输提供足够的时间，但最终处理问题还需要别的处理方案。 他们认为，向电极材料中添加其他元素，改变电解质可以改善电容衰减。

我们获得的知识一般可以应用于其他转化化合物，但这也是内部和外部的钝化层面临着同样的问题。 加拿大滑铁卢大学的陈中伟教授说。 希望这项研究将来能对指导这些有前景的转换型电极材料的基础研究有所帮助。

这个小组由布鲁克海文研究所的cfn和可持续能源技术部门、阿尔冈国家研究所aps、宾夕法尼亚大学和加拿大滑铁卢大学的科学家组成。 这项研究得到了美国能源部科学办公室、加拿大自然科学与工程研究委员会、滑铁卢大学和滑铁卢纳米技术研究所的支持。

本文：《“找出金属氧化物电池材料容量损失的原因”》