科学家发现了一种分子游戏，即“音乐椅”会损害电池性能。发表在《自然-纳米技术》上的一项研究中，科学家展示了氧原子的激发如何促进锂离子电池性能提高，同时也触发了一个导致损伤的过程，从而解释了科学家们一直困惑不解的现象。这项研究指出了制造寿命更长、容量更大可充电锂离子电池一个障碍背后的科学依据。这是一个意外的发现，每天都有一个过程发生在为手机、笔记本电脑和电动汽车提供动力的电池中。
氧的缺点
控制分子如何结合、流动对电池储存和释放能量的能力至关重要。在锂离子电池中，充电过程包括锂离子从阴极通过电解质到阳极的流动。在放电时，这些相同的离子会返回阴极，在那里它们应该重新回到严格控制的晶格中指定位置，其他原子，如氧、镍、钴和镁，也在那里。这种前后不断的变化使得电池能够储存和释放能量。为了促进这一过程，科学家们利用氧作为电子的供体，增加锂从阴极流出的流量。
但这导致了“被激发”的氧原子对精心构造的阴极造成破坏。PNNL研究小组发现，这些氧分子是制造混乱的罪魁祸首：它们具有很强的流动性，很可能会从表面逃逸，导致电池容量减少，最终导致电池故障，它们可以轻松地交换分子位置，从而对电池结构造成压力。氧原子提供电子，这就增加了容量，但这是要付出代价的；人们还没有意识到这一点。知道氧可以提高电池的性能，但还没有完全理解其中的所有原理。
阴极大战
研究团队精确地追踪了阴极中的氧发生了什么变化，揭示了一个关于分子音乐椅的故事，其中包括激发的氧“霸王”，它们机会主义式的离开结构造成了巨大缺口，锂离子阻碍了它们从原来地方回来的努力。科学家发现，当氧原子贡献了它们的电子后，产生的过度激发氧原子很容易从阴极表面逃逸，在精心构造的电池晶格中留下一个空位。当表面氧原子离开时，体积结构中的其他氧原子就会进入那些现在已经空了的缝隙。
越来越多的氧分子也跟着发生连锁反应，进入空槽并从表面逸出。随着这一过程的继续，缺陷从阴极表面迁移到更深的材料中，形成一个大洞或空洞。这种活动模拟了一个我们很多人都非常熟悉的过程：蛀牙，从表面的一个小缺陷开始，但最终会变得更深，导致更大的问题。这种位置交换破坏了电池之前有序的原子结构，其他原子，如镍、镁、钴和氧，开始四处移动，很可能锂在进行有用的电池化学反应时，偷走一个指定给锂的座位。
离开的氧原子留下空位开始聚集成空隙，形成巨大的屏障，阻止锂离子回到原来的位置。当更少的锂原子能够重新确定自己在阴极中的正确位置时，更少的锂原子能够在阳极和阴极之间往返，这意味着电池储存的能量越来越少。最终，大量的空位或空隙会使晶格不稳定，导致容量减少，最终导致电池故障。
为任性的氧气做保镖
一旦失去了足够的氧原子，电池就会失去容量，整个结构就会崩溃。研究团队正在探索阻止此类缺陷的方法，一种想法是稳定表面的氧原子——将氧原子更紧密地锁在应有位置，使它们不太可能从表面逃逸。科学家正在探索如何利用氧化锆分子来施加其化学影响，并充当一种保镖，使氧原子保持在适当的位置。这将意味着更少的氧损失，并将有助于保持整个结构的秩序，让锂离子可以轻松地来回移动。
博科园｜研究/来自：环境分子科学实验室
参考期刊《自然纳米技术》
DOI: 10.1038/s41565-019-0428-8
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