該研究明確了氫分子如何影響電池中的鋰離子，為開發(fā)更可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)高效的電池技術(shù)提供了洞見。

揭示電池老化機(jī)制

隨著時間的推移，電池容量逐漸減少是舊手機(jī)電量消耗加快的原因，但這一普遍現(xiàn)象仍未被完全理解。

科羅拉多大學(xué)博爾德分校領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組揭示了這種電池退化的潛在機(jī)制，發(fā)現(xiàn)有助于科學(xué)家開發(fā)性能更佳的電池，使電動汽車行駛更遠(yuǎn)、壽命更長，同時推進(jìn)能源存儲技術(shù)，加速清潔能源轉(zhuǎn)型。

研究結(jié)果于9月12日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

對可再生能源和電動汽車的影響

論文通訊作者、化學(xué)與生物工程系教授邁克爾·托尼表示：“通過了解鋰離子電池降解過程的分子級變化，我們推動了鋰離子電池的發(fā)展，這對從化石燃料向更多可再生能源的能源基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)變至關(guān)重要。”

工程師們長期致力于無鈷鋰離子電池設(shè)計——最常見的可充電電池。鈷是一種昂貴且稀缺的礦物，其開采伴隨嚴(yán)重的環(huán)境和人權(quán)問題。在鈷產(chǎn)量占全球一半以上的剛果民主共和國，許多礦工為兒童。

科學(xué)家們嘗試用鎳和鎂等元素替代鋰離子電池中的鈷，但這些電池自放電率更高，導(dǎo)致儲能降低，電池容量隨時間減少。大多數(shù)電動汽車電池在需要更換前的使用壽命為7到10年。

研究電池自放電

托尼及其團(tuán)隊研究了自放電原因。在典型鋰離子電池中，帶電的鋰離子通過電解質(zhì)從陽極移動至陰極，形成電流供電。充電時，帶電離子反向流動返回陽極。之前認(rèn)為電池自放電是由于部分鋰離子未返回陽極，減少電流生成。

利用位于伊利諾伊州的美國能源部阿貢國家實驗室的先進(jìn)光子源（強(qiáng)X射線設(shè)備），研究小組發(fā)現(xiàn)氫分子會占據(jù)鋰離子在陰極上的結(jié)合位置，減少結(jié)合空間，削弱電流，降低容量。

電動車電池的未來道路

交通運(yùn)輸是美國溫室氣體排放的主要來源，占2021年總排放量的28%。許多汽車制造商承諾放棄汽油車生產(chǎn)，轉(zhuǎn)而制造更多電動汽車應(yīng)對排放問題。然而，電動汽車制造商面臨續(xù)航里程有限、生產(chǎn)成本較高和電池壽命較短的挑戰(zhàn)。在美國市場，一輛典型純電動汽車一次充電可行駛約250英里，約為汽油車的60%。托尼認(rèn)為這項新研究有可能解決這些問題。

托尼指出：“所有消費(fèi)者都希望擁有長續(xù)航車輛。低鈷電池可能提供更高續(xù)航，但也需要確保不會快速失效。減少鈷還可以降低成本，解決人權(quán)和能源正義問題。”

提高電池壽命的策略

更好理解自放電機(jī)制后，工程師可以探索防止此過程的方法，如在陰極表面涂覆特殊材料以阻擋氫分子或使用不同電解質(zhì)。

托尼表示：“現(xiàn)在我們知道導(dǎo)致電池退化的原因，就能告知電池化學(xué)領(lǐng)域需要改進(jìn)的設(shè)計內(nèi)容。”