科学家发现：分子抢座位 损害电池性能

据外媒报道，太平洋西北国家实验室（601099）的科学家发现，电池中的分子也会玩“抢座”游戏，这会损害电池性能。研究人员已经证明，氧原子的激发可以提高锂离子电池的性能，同时也会造成损坏。这一发现为制造寿命更长、容量更大的可充电锂离子电池提供了科学依据。氧气的缺点控制着分子的结合和流动，这对电池中能量的储存和释放至关重要。在锂离子电池中，在充电过程中，锂离子通过电解质从正极流向负极；放电时，相同的离子将返回正极，准确地返回各自的晶格，其中还有其他原子，如氧、镍、钴和镁。这个循环允许电池储存和释放能量。为了促进这一过程，科学家们使用氧气作为电子供体，以增加从正极流出的锂量。然而，“被激发”的氧原子会对精心构建的正极造成损坏。PNNL研究小组发现，这些氧分子是制造混乱的罪魁祸首。它们具有很强的流动性，很可能从表面逸出，导致电池容量降低，最终导致电池故障。它们可以很容易地交换分子位置，从而影响电池结构。领导这项研究的PNNL科学家王崇敏表示，“通过利用氧原子提供电子，可以提高容量。然而，这是有代价的，人们还没有意识到这一点。我们知道氧气可以提高电池性能，但我们还没有完全理解其背后的原理。”领导正极之战的Yang团队，准确追踪了正极中氧气的变化，揭示了分子之间的“抢座”游戏，这包括激发的氧气“霸主”，它们趁机离开整体结构，产生巨大的间隙，以及锂离子阻碍它们返回原始路径。研究小组发现，在氧原子贡献电子后，过度激发的氧原子很容易从正极表面逃逸，在精心构建的电池晶格中留下空位。在表面上的氧原子离开后，其他氧原子会挤压到整个结构中的这些空位中。越来越多的氧分子也发生链式反应，进入间隙并从表面逃逸。随着这一过程的继续，缺陷从正极表面逐渐深入材料，形成大孔。这种位置交换会破坏电池之前有序的原子结构。氧原子留下的空位形成空隙，形成一个巨大的屏障，阻止锂离子返回其原始位置。其他原子，如镍、镁、钴和氧，开始四处移动，并像恶霸一样发挥作用，当锂发生必要的化学反应时，可能会窃取它们的原始位置。如果越来越多的锂原子不能准确地返回到它们在正极中的位置，那么可以在正极和负极之间移动的锂原子数量将减少，存储在电池中的能量将变得越来越少。大量的空位或空隙会破坏晶格的稳定性，导致容量下降，最终导致电池故障。一旦失去足够的氧原子，电池容量就会丧失，整个结构就会坍塌。王说。在这项研究中，他的PNNL团队与来自北京理工学院、劳伦斯伯克利国家实验室和中国阿贡国家实验室的科学家合作。该团队正在探索防止此类缺陷的方法。一个想法是稳定表面氧，将氧原子锁定在更紧密的位置，防止它们逃逸。研究人员正试图利用氧化锆分子施加化学影响，并充当保镖，将氧原子固定在原位，从而减少氧气损失。这有助于保持整体结构，并使锂离子能够更平静地移动。

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