氧原子的激发可以提高锂离子电池的性能

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据外媒报道，美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家发现，电池中的分子也在玩“抢座位”的游戏，从而损害电池的性能。研究人员已经证明，氧原子的激发可以提高锂离子电池的性能，但也会造成损坏。这一发现为制造寿命更长、容量更大的可充电锂离子电池提供了科学依据。

氧气的缺点。

电池通过控制分子的结合和流动来储存和释放能量是非常重要的。在锂离子电池中，充电时，锂离子通过电解液从正极流向负极；放电时，同样的离子会回到正极，并准确地回到它们的晶格中，晶格中还有其他原子，如氧、镍、钴和镁。这个循环使电池能够储存和释放能量。

为了促进这一过程，科学家使用氧作为电子供体，以增加流出阳极的锂。然而，“受激”的氧气会损坏精心制作的阳极。PNNL研究小组发现，这些氧分子是制造混乱的罪魁祸首。它们的移动性很高，很可能会从表面逃逸，导致电池容量降低，最终导致电池故障。它们很容易交换分子位置，从而影响电池结构。

领导这项研究的PNNL科学家王崇敏说：“利用氧原子提供电子可以增加容量。然而，这是要付出代价的，人们还没有意识到这一点。我们知道氧气可以提高电池的性能，但我们还没有完全理解这个原理。”

正面战争

王的团队精准追踪了阳极中氧气的变化，揭示了分子间的“抢座”博弈，包括被激发的氧气“霸王”，趁机离开整个结构，造成巨大的落差，锂离子阻止了它们同样的返回。

研究小组发现，在氧原子贡献电子后，过度兴奋的氧原子很容易从阳极表面逃逸，在精心构建的电池晶格中留下空位。当表面的氧原子离开时，其他氧原子会挤入整体结构中的这些空位。越来越多的氧分子跟随链式反应，进入间隙并从表面逃逸。随着这一过程的继续，缺陷从阳极表面渗透到更深的材料，形成大孔。这种位置交换会破坏电池前的有序原子结构。氧留下的空位会形成一个缺口，这个缺口会形成一个巨大的屏障，阻止锂离子回到原来的位置。其他原子，如镍、镁、钴和氧，开始四处移动，像恶霸一样横行霸道，当锂进行必要的化学反应时，可能会窃取原本属于锂的位置。

如果越来越多的锂原子不能准确地回到它们在正极中的位置，那么可以在正极和负极之间移动的锂原子数量就会减少，储存在电池中的能量就会越来越少。大量的空位或空洞会破坏晶格的稳定性，导致容量下降，最终导致电池失效。

做任性氧气的保镖。

一旦失去足够的氧原子，电池容量就会丧失，整个结构就会崩溃。”王说道。在这项研究中，他的PNNL团队与中国北京理工大学、劳伦斯柏克莱国家实验室和阿尔贡国家实验室的科学家合作。

该团队正在探索防止此类缺陷的方法。一种想法是稳定表面的氧，将氧原子更紧密地锁定在它们合适的位置，防止它们逃逸。研究人员正试图利用氧化锆分子施加化学影响，并充当保镖来保持氧原子就位，从而减少氧的损失。这有助于保持整体结构，并允许锂离子更平静地移动。

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