防止電極迅速退化來提高電池性能

如果電動(dòng)汽車要超越汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，那么電池必須得到改善。傳統(tǒng)的鋰離子電池，其相當(dāng)重量的能量密度最高，只能充電至理論容量的50%左右。當(dāng)研究人員試圖將更多的鋰離子裝入電池的電極時(shí)，這并沒有起到什么作用。在第一次放電/再充電循環(huán)之后，電極開始迅速退化，沒有人能夠弄清楚如何防止它。

現(xiàn)在有一個(gè)線索。研究人員結(jié)合使用理論計(jì)算機(jī)建模和先進(jìn)的X射線方法，首次發(fā)現(xiàn)原子在被充電時(shí)原子重排的方式與電池原子和化學(xué)結(jié)構(gòu)中電子的存儲(chǔ)方式之間存在關(guān)系。這種見解應(yīng)該為電池制造商提供一個(gè)構(gòu)建富鋰電極的藍(lán)圖，可以顯著提高電池性能。

充分發(fā)揮其潛力的鋰離子電池可以將當(dāng)今電動(dòng)汽車的使用范圍提高三分之一甚至更高。例如，一輛裝有該公司P100D電池組的特斯拉S型車可以在一次充電時(shí)行駛315英里（約500公里），最高達(dá)473英里?；蛘咂囍圃焐炭梢员３衷?15英里的范圍內(nèi)，但降低價(jià)格與天然氣動(dòng)力車輛沒有退稅競(jìng)爭(zhēng)。

“夢(mèng)想是制造一種價(jià)格實(shí)惠的大眾市場(chǎng)電動(dòng)汽車，其價(jià)格與汽油當(dāng)量相同。然后，消費(fèi)者開始從第一天開始節(jié)省燃?xì)?，所有人都?huì)轉(zhuǎn)而使用電力，“斯坦福大學(xué)化學(xué)系的博士生William Gent說, 他也是研究的第一作者，近日其研究成果發(fā)表在Nature Communications上。

Gent與斯坦福大學(xué)的研究員William Chueh教授以及來自Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源的研究人員一起工作。

從技術(shù)上說，傳統(tǒng)的鋰離子電池相當(dāng)簡(jiǎn)單。它們有兩個(gè)電極 - 帶正電的陰極和帶負(fù)電的陽極 - 它們之間有液體電解質(zhì)。陰極由鋰和過渡金屬（即鎳，錳或鈷）層組成。

當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極移動(dòng)通過液體電解質(zhì)，然后插入組成負(fù)極的材料中。過渡金屬離子保持。電子也是如此，只是它們?cè)谕ㄍ?fù)極的路上穿過電路。電池放電時(shí)，離子和電子以相反的方向行進(jìn)。

“我們希望我們能夠利用這種理解來更好地控制這些材料，使它們更實(shí)用?！?/p>

- 斯坦福大學(xué)William Gent

富含鋰的電池用鋰取代電極中的一些過渡金屬。雖然額外的鋰有可能提高陰極的容量30%至50%，但是會(huì)產(chǎn)生一些神秘的電壓行為。例如，即使在低電流下，平均充電電壓也高于平均放電電壓。Gent表示，在一個(gè)完美的電池里，電壓是相同的。

而且，在經(jīng)歷充電和放電循環(huán)之后，電壓逐漸下降。Gent說，電子設(shè)備不能管理這種不穩(wěn)定的電壓行為，因?yàn)殡娐凡荒軌騽?dòng)態(tài)地重新校準(zhǔn)以處理這些變化。這就是為什么富鋰電極如此不切實(shí)際。

在尋找解決方案時(shí)，以前的研究人員通常會(huì)研究在充電/放電循環(huán)過程中離子如何重新排列，或者電子如何儲(chǔ)存在電池的原子和化學(xué)結(jié)構(gòu)中。同時(shí)學(xué)習(xí)是非常困難的，因?yàn)樗枰冗M(jìn)的分析技術(shù)才能獲得最佳的圖像，并且很多研究團(tuán)隊(duì)不能獲得必要的設(shè)備。

Gent和他的同事們能夠做到這一點(diǎn)。他們?cè)趦蓚€(gè)設(shè)施中工作，每個(gè)設(shè)備都有非常明亮，高度敏感和精細(xì)調(diào)整的X射線源，以便開發(fā)關(guān)于原子重排如何影響電子在材料內(nèi)儲(chǔ)存方式的假設(shè)。他們?cè)赟LAC的斯坦福同步輻射光源中使用X射線衍射來探測(cè)陰極原子和化學(xué)結(jié)構(gòu)在充電和放電時(shí)的變化。在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源中，他們使用共振非彈性X射線散射來測(cè)量富鋰材料的磁性和電子特性。

接下來，科學(xué)家們使用計(jì)算機(jī)模型來測(cè)試他們的假設(shè)。他們證實(shí)，當(dāng)富含鋰的陰極被充電時(shí)，常規(guī)電池中通常保留的過渡金屬離子移動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)這種重排大大地影響了電子存儲(chǔ)在陰極的電壓。如果離子在放電期間返回到原來的位置，這將不會(huì)那么糟糕。但是很少。而且每次電池充放電，離子移動(dòng)一點(diǎn)點(diǎn)，造成原子結(jié)構(gòu)的紊亂，造成奇怪的電壓行為。

Gent說：“我們希望能夠利用這種理解來更好地控制這些材料，使它們更實(shí)用。

他和他的同事已經(jīng)開始測(cè)試不同的方法來解決這個(gè)問題。一個(gè)想法是防止過渡金屬離子遷移。另一種方法是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使遷移離子更容易返回到原來的位置。