“布鲁克海文国家实验室发现：电极材料出现中间相 导致锂离子电池容量衰减”

世界汽车新闻金属氧化物具有很高的记忆容量，被认为是有前途的新一代锂离子电池转换型电极材料。 转换型电极材料发生转换反应，在与锂离子反应时，转换成全新的产物。

(照片来源:布鲁克海文研究所)

现有的商用电池基于一种完全不同的机制，称为插层。 美国能源部布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心( cfn )电镜组科学家sooyeon hwang表示，“在插层过程中，锂可逆嵌入电极材料中，不会脱离电极材料，并且不会破坏晶体结构。 对于高度稳定的材料来说，锂离子只能参加有限的数量。 因此，其容量相对低于转换型材料。 ”

韩国国立大学( kyungpook national university )的助理教授、电化学和x射线吸收光谱学专家ji hoon lee表示:“使用金属氧化物电极材料，越来越多的锂离子参与转换反应，提高电池容量。 但是，这些材料的晶体结构与原来的状态完全不同，在多次重复充放电循环后会引起容量衰减等不稳定因素。 ”

在电池循环中金属氧化物电极的结构发生变化。

多年来，来自hwang、cfn及其合作机构的同事一直在研究转换型电极材料。 此前，在高电流下研究氧化铁电极时发现，长时间循环过程中会发生“动力学故障”，导致容量衰减。 和真正的电池一样，在高电流下，这个电池的充放电速度相对较快。 hwang说:“如果循环太快，电极材料中有可能出现锂梯度。 例如，如果锂在一个位置嵌入或脱嵌，可能会比在另一个位置多。 ”

据外国媒体报道，目前由hwang和lee共同领导的团队中，还包括来自cfn化学部和布鲁克海文研究所国家同步辐射光源ii(NSLS-ii )的科学家，充放电后，通过在更温和的低电流和恒压条件下运行电池，可以实现这些 尽管实验和实际条件有差异，但了解电极材料的基本水平行为有助于进行新的设计，制造性能更好的电池。

基于这种情况，研究人员在锂离子半电池中测试了两种无毒、广泛的金属氧化物之一的氧化镍或氧化铁材料。 hwang说:“最初的研究的目标是通过简单的电化学测试，了解锂嵌入和脱嵌的基本机制。 未来的研究需要采用带有两个电极的全电池。 ”

电化学测试表明，在10个循环的过程中，电池的电压分布和容量有显著差异。 为了表现循环电极材料的一些变化，该团队通过3条nsls-ii束流线、高速x射线吸收和散射( qas )、对分布函数) pdf )、x射线粉末衍射) xpd )，用cfn进行了实验。 通过qas束线，可以为每种金属提供不同充放电状态下的化学新闻、氧化状态。 pdf和xpd光束线适用于明确晶体结构，pdf对原子键的局部配置特别敏感。

这些x射线同步加速器的研究表明，镍在氧化镍中的还原、氧化(氧化还原)反应、铁在氧化铁中的还原和氧化)还原)反应并不可逆。 但是，研究者们不理解可逆反应的不完全性和容量衰退的原因。 利用cfn电子显微镜装置的透射电子显微镜( tem )，可以得到高分辨率的图像。 这些图像显示，充电后的锂金属氧化物出现中间相。 与之相反，在放电的过程中，金属氧化物直接转化为锂氧化物和纯金属。

hwang说:“中间相的存在，意味着锂在充电中不会完全脱离。 随着时间的推移，这个相层将继续存在和积累。 因此，在之后的循环中，可使用的锂离子的量减少，循环容量持续降低。 说明了动力学故障引起的容量衰减。 现在，我们知道，内在的限制因素也会导致容量下降。 ”

基于这些结果，研究小组认为充放电在不同的“不对称”反应路径下进行。 充电中，锂离子的脱离需要能量，该反应遵循基于能量转移或热力学的一种方法。 另一方面，在放电过程中，锂离子自动插入，这种快速的锂离子扩散遵循着另一种由动力学驱动的方法。

该小组接下来将对金属硫化物等其他转换型电极材料进行表征，并计划在电池循环中进行研究。