研究發現：電極材料出現中間相 導致鋰離子電池容量衰減
時間:2021-08-20 08:44來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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（圖片來源：布魯克海文實驗室）
金屬氧化物具有較高的存儲容量，被視為很有前途的下一代鋰離子電池轉換型電極材料。轉換型電極材料可發生轉化反應，在與鋰離子反應時，轉化成全新的產物。
現有商用電池基于一種完全不同的機制，稱為插層(intercalation)。美國能源部布魯克海文國家實驗室功能納米材料中心（CFN）電子顯微鏡組的科學家Sooyeon Hwang表示：“在插層過程中，鋰可逆性嵌入電極材料，以及從電極材料中脫嵌，同時不破壞晶體結構。對于高度穩定的材料來說，只有數量有限的鋰離子可以參與。因此，其容量相對低于轉換型材料。”
韓國京浦國立大學（Kyungpook National University）的助理教授、電化學和X射線吸收光譜學專家Ji Hoon Lee表示：“采用金屬氧化物電極材料，可以使更多的鋰離子參與轉化反應，從而提升電池容量。然而，這些材料的晶體結構與其原始狀態完全不同，這會導致不穩定因素，如在多次充放電循環后出現容量衰減等。”
在電池循環過程中金屬氧化物電極發生結構變化。
多年來，Hwang和來自CFN及其合作機構的同事，一直在研究轉換型電極材料。此前，研究人員在高電流下研究氧化鐵電極，發現其在長期循環過程中會出現“動力學障礙”，導致容量衰減。跟真電池一樣，在高電流下，這種電池的充放電速度相對較快。Hwang表示：“如果循環太快，電極材料中可能出現鋰梯度。例如，在一個位置嵌入或脫出的鋰，可能比另一個位置多。”
據外媒報道，現在，由Hwang和Lee共同領導的團隊，包括來自CFN化學部和布魯克海文實驗室國家同步輻射光源II(NSLS-II)的科學家，在充放電后，通過在更溫和的低電流和恒壓條件下來運行電池，消除了這些動力學障礙。盡管實驗和真實條件存在差距，了解電極材料的基本層面行為，仍有助于進行新的設計，制造性能更好的電池。
基于這種情況，研究人員在鋰離子半電池中，測試兩種無毒且使用廣泛的金屬氧化物之一，即氧化鎳或氧化鐵材料。Hwang表示：“在最初的研究中，我們的目標是通過簡單的電化學測試，了解鋰嵌入和脫嵌的基本機制。未來的研究需要使用帶兩個電極的全電池。”
電化學測試表明，在10次循環過程中，電池的電壓分布和容量存在顯著差異。為了表征循環電極材料的變化，該團隊通過三條NSLS-II光束線，包括快速X射線吸收和散射(QAS)、對分布函數(PDF)和X射線粉末衍射(XPD)，并在CFN進行了實驗。通過QAS光束線，可以提供每種金屬在不同充放電狀態下的化學信息，包括氧化態。PDF和XPD光束線，很適合用于確定晶體結構，PDF對原子鍵的局部配置特別敏感。
從這些X射線同步加速器研究中，研究小組觀察到，鎳在氧化鎳中的還原和氧化(氧化還原)反應，和鐵在氧化鐵中的還原和氧化(氧化還原)反應，不是很可逆。然而，研究人員并不了解造成可逆反應不完全和容量衰退的原因。通過CFN電子顯微鏡設備中的透射電子顯微鏡(TEM)，可以獲得高分辨率圖像。這些圖像顯示，充電后鋰金屬氧化物出現中間相。相比之下，在放電過程中，金屬氧化物直接轉化為鋰氧化物和純金屬。
Hwang解釋說：“中間相的存在，意味著鋰在充電過程中不會完全脫嵌。隨著時間的推移，該相層會持續存在并累積。因此，在后續循環過程中，可用鋰離子數量會減少，導致周期循環容量持續下降。我們曾經證明，動力學障礙導致容量衰減。現在，我們發現，內在限制因素也能導致容量下降。”
鑒于這些結果，研究小組認為，充放電是通過不同的(“不對稱”)反應途徑進行。在充電過程中，鋰離子脫嵌需要能量，這種反應遵循基于能量轉移或熱力學的一種途徑。另一方面，在放電過程中，鋰離子自行嵌入，這種快速的鋰擴散，遵循由動力學驅動的另一種途徑。
該團隊計劃，接下來對其他轉換型電極材料(如金屬硫化物)進行表征，并在電池循環過程中進行研究。
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