隨著時間推移，鋰離子電極內的微量氧氣流失會削弱電池性能。
增強鋰離子電池性能通常需要仔細的、極其準確的測量材料性能的變化。眾所周知，當鋰離子在充電與放電的過程中流動，電池的電壓會降低，隨著時間的推移，這些損失累積會導致電池的能量儲存容易會降低10-15%。
氧氣空穴
在電池充放電循環(huán)過程中，會有極其微量的氧氣滲出。SLAC國家加速實驗室（美國能源部下屬的國家實驗室，由斯坦福大學負責運行管理）的研究員對這一超慢過程進行了非常詳細的測量，結果表明‘流失的氧原子的空穴或空位是如何改變電極結構與化學性質的，以及如何逐漸減少能量儲存的?！?
這項研究在SLAC新聞發(fā)布會上進行描述，斯坦福大學Ph.D Peter Csernica說：“在與副教授Will Chueh合作的實驗中，我們能夠在數(shù)百個周期內測量出極其微量的氧氣流出，其速度非常緩慢，這也是為什么很難查到的原因。”
鋰離子電池通過在陰極（正極）與陽極（負極）之間來回移動鋰離子來臨時存儲電荷。研究人員發(fā)現(xiàn)某些時候，隨著鋰來回移動時，構成每個電極的數(shù)十億粒子中會有氧原子流失。測量這些氧氣損失是很困難的。Csernica說：“氧氣流失的總量在超過500次充放電的循環(huán)中達到6%。這不是一個小數(shù)字，但如果你嘗試在每一次充放電循環(huán)中測量氧氣流失的量，大約是1%?！?
在電池工作的溫度下，氧原子在固體材料中很難移動，傳統(tǒng)觀點認為氧流失只來自納米粒子的表面。SLAC研究人員正在研究氧的損失如何改變粒子的化學和結構，而不是試圖直接測量氧氣流失。他們分別在幾個長度上進行了氧氣運動軌跡，從最小的納米粒子到成團的納米粒子，再到電極的整個厚度。
通過調查，勞倫斯伯克利國家實驗室的先進光源（Lawrence Berkeley National Laboratory’s Advanced Light Source）研究團隊根據(jù)電池循環(huán)不同的時間，將電池拆解，并將電極納米粒子切片進行詳細分析檢查。使用專門的X射線顯微鏡對樣品進行掃描，生成高分辨率圖像，仔細觀察每一個細小化學成分展示納米尺度的細節(jié)，以十億分之一米為測量單位。
將試驗結果與計算機模型相對比，觀察氧氣流失的可能性。研究團隊總結：最初的氧氣流失是從表面開始的，隨后從內部緩慢流出。當納米粒子凝聚為一體形成更大的一組是，那些靠近中心的部分要比表面流失更少的氧氣。
留下了什么
Chueh指出另一個非常重要的問題氧原子的流失是如何影響留下的材料。Chueh說：“這事實上是一個很大的謎團。想象一下納米粒子中的原子像是緊密堆積的球體。如果你不斷取出氧原子，那所有的東西會因為結構的變化而崩塌和致密化?！?
該研究團隊說：“自從電極結構這一方面無法直接成像，科學家們再一次將其他類型的實驗觀察結果與各種氧氣流失情景的計算機模型進行了比較。其結果表明空穴的確存在，材料不會導致結構崩塌和致密化，從而說明氧氣的流失是如何導致電池電量逐漸下降的?！?
Chueh說：“當氧氣滲出時，周圍的錳原子，鎳原子和鈷原子也隨著移動。所有原子都偏離了理想位置。這種金屬離子的重組隨著氧氣流失而引起的化學變化，會隨著時間的推移降低電池電壓及效率。我們早就知道這些現(xiàn)象，可是不知其真正的原因?！?
現(xiàn)在，我們對電池退化的重要來源有了科學的、從淺入深的理解，這可能是導致減少氧氣流失及其破壞性影響的新方法。
插圖中顯示：SLAC與斯坦福大學的科學家們已經(jīng)對構成鋰離子電池電極的數(shù)十億的納米粒子的氧氣如何滲出進行了詳細測量，隨著時間的推移，這些納米粒子會降低電池的電壓和能量效率。圖中，紅色球體是滲出的氧原子，紫色球體是金屬離子。這一新的認識可能將問題降至最低并改善電池性能。
中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯
