美科学家抓到导致锂电池衰退的“真凶”

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來源:大紀元



美国科罗拉多大学博尔德分校的科学人员，发现让锂电池出现衰退的“真凶”，不是锂离子而是氢离子。图为可用USB进行充电的锂电池。(David Mcnew/AFP)

【大纪元2024年09月28日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）从智能手表到电动车，甚至一些电厂的储能系统都在使用锂电池。但锂电池的容量会随着使用次数和时间增长逐渐衰退，其原因众说纷纭。美国一所大学的最新研究发现，氢离子是导致电池衰退的主要原因。

锂电池的使用寿命（充放电次数）和容量，一直是厂商和消费者关注的话题。例如，购买电动车或手机的人就会关注锂电池的充放电次数和容量，毕竟更换一组锂电池就意味着要花费大量金钱。

这让不少科学家试图找可以替代锂电池的新电池。虽然这些新型的电池拥有更高的自放电率，但它们依然会随着时间、使用次数增加，而降低其容量。（延伸阅读：新技术有效回收锂电池废料 污染小效益高）

电池中的锂离子在充放电时，会透过电解液在阴阳极之间来回穿梭形成电流。先前科学家认为电池会自行放电，且电池充电时不是所有的锂离子都会返回阳极，而是有锂离子镶嵌在阴极上，使电池整体反应能力降低，最终导致电池容量下降，但这一推断存在许多疑问。

这次，美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado at Boulder）的工程师领导的国际研究小组，经过进一步探究发现，氢离子（H+）是锂离子不愿意回到原始电极的“元凶”之一，并非是锂离子（Li+）造成的结果。

该过程就像使用一台新电脑（电池）与超高网速（锂离子）去上网和工作。开始的时候，电脑的效能和网速都很好，但使用一段时间发现网速和电脑均出现卡顿（电池容量下降）。原本以为是电脑老化或网速降低造成，但经检验发现是黑客（氢离子）劫持和破坏电脑系统（阴极）和网络，造成整体效能降低。

研究人员使用美国能源部阿贡国家实验室的先进光子源（一种强大X光射线分析仪器），观测锂电池的放电过程。结果发现，电解液中的氢离子会移动到阴极，逐渐与阴极（磷酸铁、镍钴锰等金属）的脱锂氧化物发生反应，并逐渐占据锂离子与阴极结合的位置，导致锂离子无法正常回归阴极，并影响阴极结构的稳定性，从而削弱电池的电流和容量。

研究人员还利用锂离子和氢离子与阴极进行氧化反应时所形成的化学膨胀状况不同，去辨别两者对于阴极的影响程度。他们观察到阴极确实有氢离子堆积的状况，这一发现支持X光射线分析仪器观测到的结果。

氢离子破坏了锂电池原本“完美的”氧化还原反应，先是使一点点阴极材料逐渐劣质化，而劣质化范围会随着时间逐渐扩大。另外，氢离子影响的不仅是阴极，它们也会不断从电解液中脱离，使电解液的效力受损，这些都会破坏电池整体的效能和寿命。

研究人员表示，困扰科学界已久的谜题被揭示出来，让科学家更好地了解了自放电机制，还可以让他们研发一些方法来阻止该过程。包括使用特殊材料涂覆在阴极上以阻止氢离子附着，或使用不同的电解质减少氢离子产生。

该研究成果发表在9月12日的《科学》期刊上。论文的通讯作者、科罗拉多大学博尔德分校化学与生物工程系迈克尔‧托尼（Michael Toney）教授对该校的新闻室表示，“我们正在弄清楚锂电池在降解过程时，产生的锂离子和氢离子的浓度变化，藉由这些变化帮助我们看清锂电池的内部，而这种新发现能帮助我们造出更好的电池。”

“现在我们了解导致电池退化的其中一项主因，同时也告知电池化学界他们在电池设计时，哪些地方需要改进。”他说。