中國粉體網訊 據外媒報道，由于儲能密度高，金屬氧化物、硫化物和氟化物等材料，是前景極好的電動汽車鋰離子電池電極材料。但是，它們的儲能能力衰退很快。日前，科學家們通過研究一種帶有氧化鐵電極的鋰離子電池發現，電池充放電超過100次后產生的損耗，是由氧化鋰積累和電解質分解造成的。
研究過程中用到的氧化鐵電極，由廉價無毒的磁鐵礦制成。比起目前的電極材料，磁鐵礦等轉換型電極材料(即和鋰發生反應時轉換為全新產物)，可以儲存更多的能量，因為它們可以容納更多鋰離子。“然而，這些材料的儲能能力衰減非常快，并且依賴于電流密度。例如，我們對磁鐵礦的電化學測試顯示，磁鐵礦的容量在前10個高速充放電周期內急速下降。”此項研究負責人、功能納米材料中心（CFN）電子顯微鏡小組的領導Dong Su表示。CFN是設于布魯克海文國家實驗室內的美國能源部科學用戶設施辦公室。
為了找出循環不穩定的原因，科學家們試圖觀察，當電池完成100次循環后，磁鐵礦的晶體結構和化學性質變化情況。他們結合透射電子顯微鏡（TEM）和同步X射線吸收光譜（XAS），進行研究。TEM的電子束通過樣本傳輸，產生特征物質的結構圖像或衍射圖案，XAS利用X射線來探測材料的化學性質。
科學家們利用這些技術發現，第一次放電時，磁鐵礦完全分解成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中，這種轉化反應并不是完全可逆的，金屬鐵和氧化鋰的殘留物仍然存在。此外，磁鐵礦原始的“尖晶石”結構在帶電狀態下演化為“巖鹽”結構（在兩種結構中，鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環中，巖鹽氧化鐵與鋰相互作用，形成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復合物質。因為轉化反應不是完全可逆的，這些殘余產物會逐漸積累起來。科學家們還發現，電解質（使鋰離子在兩個電極之間流動的化學介質）在隨后的循環中會分解。
在研究結果的基礎上，科學家們提出一種儲能能力衰退的解釋。CFN電子顯微鏡小組的科學家、共同首席作者Sooyeon Hwang說，“由于氧化鋰的電子導電性較低，它的積累會對在電池正負極之間穿梭的電子形成屏障，我們把它叫做內部鈍化層。同樣，電解質分解也會形成表面鈍化層，阻礙離子傳導。這些障礙累積起來，阻礙電子和鋰離子到達發生電化學反應的活性電極材料。”
科學家們指出，在低電流下運行電池，可以通過減慢充電速度，恢復部分容量為電子傳輸提供足夠的時間；然而，要徹底解決這一問題，還需要其他方案。他們認為，在電極材料中添加其他元素和改變電解質，可以改善容量衰減。
（中國粉體網編輯整理/江岸）
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