写道AZoM2021年6月15日
当锂离子在充放电循环中进出电池电极时，少量的氧气会泄漏出来，电池的电压(衡量它传递的能量)也会相应减少。随着这些损耗的增加，它们最终会消耗电池10%到15%的能量储存能力。
SLAC和斯坦福大学的科学家们已经详细测量了锂离子电池电极中数十亿纳米粒子是如何渗透氧气的，随着时间的推移，氧气会降低电池的电压和能源效率。yabo214在这张图中，红色的球对是逃逸的氧原子，紫色的球是金属离子。这种新的理解可能会导致新的方法来最小化问题和提高电池性能。图片来源:Greg Stewart/SLAC国家加速器实验室。
现在，科学家们以无与伦比的细节量化了这个超慢的过程，展示了氧原子逃逸留下的空位或空穴如何改变电极的结构和化学性质，并慢慢减少它可以存储的能量。
最新调查结果与科学家对此过程的一些假设违背了，并且可以提供新的设计电极以防止它。
能源部的研究人员SLAC国家加速器实验室斯坦福大学最近解释了他们的研究自然能源杂志。
”我们能够测量非常小的氧气涓涓细胞，甚至如此慢慢地，超过数百周期．它的速度如此之慢，这也是它难以被探测到的原因来自斯坦福大学的博士生Peter Csernica说。他和Will Chueh副教授一起参与了这项实验。
双向摇椅
锂离子电池的工作原理类似于摇椅，在一对电极之间来回移动锂离子，而这对电极只能储存短暂的电荷。最好是，这些离子是唯一能够进出组成每个电极的无限数量的纳米粒子的物质。yabo214
然而，科学家们早就知道，当锂来回移动时，氧原子往往会从粒子中逃逸。yabo214这些细节一直难以解决，因为这些泄露的信号太微不足道，无法直接量化。
电池充放电500次以上，总漏氧量为6%．这不是一个很小的数字，但如果你试着测量每个循环中释放的氧气量，它大约是百分之一．
Peter Csernica，斯坦福大学博士生
在这项分析中，研究小组通过观察氧气的流失如何改变粒子的结构和化学成分，间接量化了泄漏。yabo214他们在不同长度尺度上监控这个过程——从最小的纳米粒子到纳米粒子组，再到电极的整个厚度。yabo214
由于氧原子非常努力地在电池供电的温度下以固体材料行进，因此传统的智慧只是氧气只从纳米粒子表面逸出，即使这一概念已经讨论了。亚博网站下载
为了更好地了解到底发生了什么，研究人员在不同的时间内循环电池，然后将它们拆开，最后在劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源中切割电极纳米颗粒进行详细分析。yabo214
在实验室里，一个专门的x射线显微镜被用来扫描样本，制作高分辨率的图像，并探测每个小点的化学成分。这些数据与一种被称为ptychography的计算方法整合在一起，以十亿分之一米为单位，揭示纳米级的细节。
与此同时，在SLAC的斯坦福同步加速器光源，研究人员通过完整的电极发射x射线，以证明他们在纳米尺度上看到的东西在相对更大的尺度上也是正确的。
一阵爆发，然后是涓涓细流
将实验结果与氧气损失可能发生的计算机模型相匹配，研究人员推测，最初的氧气爆发从粒子表面泄漏，随后从内部非常缓慢地流动。当纳米粒子聚集在一起形成更大yabo214的粒子团时，与靠近表面的粒子相比，靠近粒子团核心的粒子损失的氧气更少。
他说，另一个重要的问题是，氧原子的损失如何影响它们留下的材料。
这实际上是一个很大的谜．把纳米粒子中的原子想象成紧密排列的球体。yabo214如果你一直把氧原子拿出来，整个东西就会坍塌并变得稠密，因为它的结构喜欢保持紧密．
他将担任SLAC国家加速器实验室副教授吗
由于电极结构的这一特征无法直接成像，研究人员再次对其他类型的实验观察和不同氧损失情况的计算机模型进行了比较。
新的发现表明，这种空缺肯定会持续存在——这种材料不会变密或坍塌——并表明它们在电池的逐渐衰退中扮演着怎样的角色。
当氧离开时，周围的锰、镍和钴原子迁移。所有的原子都在偏离它们的理想位置．这种金属离子的重新排列，以及由缺氧引起的化学变化，会随着时间的推移降低电池的电压和效率。人们早就知道这一现象的各个方面，但其机制尚不清楚．
国家加速器实验室副教授
这时觉慧的结论是:我们拥有这种科学，自下而上的理解这可能会导致新的方法来减少氧损失及其破坏性影响。
期刊引用:
Csernica, p . M。等．（2021）含量富含含量的层状氧化物的持续和部分移动的氧气空位。自然能源．doi.org/10.1038/s41560 - 021 - 00832 - 7．
来源：https://www6.slac.stanford.edu/