解开一个既有益又有害锂离子电池性能的奇怪现象

锂离子电池通过在两个电极（阳极和阴极）之间来回输送锂离子来为电动汽车和手机充电和放电。电极吸收和释放的锂离子越多，电池储存的能量就越多。

图片说明：左图所示的一个神秘的过程叫做氧氧化，它从富锂电池阴极的氧原子中剥离电子，并降低其性能。更好地了解这一特性并控制其影响，可以使电动汽车性能更好。（格雷戈里·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室）

当今商用电池材料的一个问题是，它们只能释放出所含锂离子的一半左右。一个有希望的解决方案是用额外的锂离子填充阴极，让它们在相同的空间储存更多的能量。但由于某种原因，每一次新的充放电循环都会缓慢地剥夺这些富锂阴极的电压和容量。

一项新的研究为这个过程提供了一个全面的模型，确定是什么导致了这个过程，以及它最终如何导致电池的崩溃。由斯坦福大学、能源部的SLAC国家加速器实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员领导，这本书今天发表在《自然材料》杂志上。

斯坦福大学Siebel学者、伯克利实验室高级光源和分子铸造博士奖学金获得者William Gent说：“这项研究解决了该领域的许多误解。还有很长的路要走，但现在我们对导致这一过程的性质有了基本的了解。这将帮助我们利用它的力量，而不是在黑暗中刺伤它。”

把它浸泡起来

锂通过电池的循环就像海绵接力器，是野餐和7月4日烧烤的主食，挑战参与者仅用海绵将水从一个桶输送到另一个桶。海绵吸水性越强，第二个桶的水就越多。

富锂电池阴极就像高吸水性海绵，能够吸收比商用阴极近两倍的锂离子，将两倍的能量打包到相同的空间中。这可以让手机电池和电动汽车在充电间行驶得更远。

大多数锂离子电池的阴极都含有锂和过渡金属氧化物的交替层，如镍或钴与氧结合的元素。在商用电池中，每当锂原子离开阴极作为阳极时，电子就会被一个过渡金属原子勾住。这些电子产生给材料充电所需的电流和电压。

但富锂电池会发生一些不同的情况。

“富锂阴极的一个不寻常的特征是，电子来自氧气而不是过渡金属，”SLAC的杰出科学家、论文的合著者迈克尔·托尼说。这个过程被称为氧氧化，它能使阴极在足够高的电压下提取约90%的锂，从而提高储存在电池中的能量。