研究人员发现锂离子电池正极能量损失的原因

盖世汽车讯 据外媒报道，对于由复杂的过渡金属富锂氧化物制成正极的锂离子电池，一国际团队发现了此种电池在充放电循环过程中发生能量损失的原因。该团队由斯科尔科沃理工学院（Skoltech）及来自法国、美国和瑞士的研究人员组成。这项新研究表明，充放电时的工作电压差异，导致能量效率低下，这是由于镍的中间物质寿命长，具有动力学阻碍。

（图片来源：Skoltech）

随着电动汽车产业迅速发展，为了增加单次充电续航里程，对锂离子电池能量密度的要求也更高。下一代动力电池以领先正极材料为基础，如过渡金属的富锂复合氧化物。这种正极材料凭借过渡金属（镍和钴）的阳离子，以及参与氧化还原反应的氧离子，目前保持比容量纪录。然而，在电池运行过程中，电压滞后（即充放电电压差异）导致能量损失，使其实际应用受到影响。

研究人员表示，在锂离子电池充电过程中，带正电荷的锂离子会离开其在正极材料结构上的位置，并在电池放电时回到原位。为了使正极材料保持电中性，它应该释放或吸收相同数量的电子。此项研究表明，在很大程度上，动力学障碍和能量势垒是由电子转移造成的，而不仅仅是锂离子的迁移。金属离子和氧原子之间的电子转移特别缓慢，从而引起能量损失。

为了捕捉这些长寿命的电子态（electronic states），研究人员首先排除了其他可能引起滞后的原因，例如过渡金属离子迁移导致正极晶体结构发生变化。通过高分辨率透射电子显微镜，也就是先进成像核心设施的泰坦Themis Z显微镜，可以获得确凿的证据，证明这种不可逆过程不会发生。泰坦Themis Z的空间分辨率高达0.06 nm，能够获得晶体结构的原子分辨率图像。

这种显微镜本身就是一个材料科学实验室，能够用各种高局部性的方法对材料进行分析。在此项研究中，研究人员不仅使用结构图像，还对镍和钛离子的电子态以及在不同电池充电状态下的氧离子进行光谱分析。结果发现，正是氧化的镍离子形成了长寿命的电子态。后来其他光谱分析方法也证实了这一点。

高级成像核心设施负责人Yaroslava Shakhova表示：“此项研究显示，在研究具有高实用价值的材料方面，现代透射电子显微镜能够发挥独特的作用。对于有针对性地开发具有独特功能的材料，从局部层面了解晶体和电子结构，具有重要意义。Skoltech有能力进行这方面的研究，这是其重要的竞争优势。”

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