锂离子电池能效问题的新视角

由两名 Skoltech 科学家组成的国际研究小组通过实验证明，长期以来对锂离子电池能效低的解释并不成立。研究人员用阴极中氧和过渡金属原子之间的缓慢电子转移来解释这一现象，而不是原子本身进行迁移。这项研究于周四发表在《自然化学》杂志上。

如今用于电动汽车和小工具的锂离子电池的容量约为其同类产品中使用富锂氧化物阴极所能提供的容量的一半。后一种技术的问题在于它的效率低：您必须花费比电池最终提供的更多的电量来为电池充电。随着时间的推移，特别是对于消耗大量能量的应用，这种损失的能量确实会增加，使得这种类型的电池目前在商业上不可行。

为了释放富锂氧化物阴极电池的潜力，研究人员必须了解其低效背后的机制以及能量损失的确切位置。最近发表在《自然化学》上的研究提供了实验证据，驳斥了先前对该现象的解释——技术上称为电压滞后——并提供了一种新的理论来解释它。

当锂离子电池充电时，锂离子在其两个电极之间移动。向阳极迁移时，它们会在阴极留下空位。循环的另一半涉及锂离子随着能量消耗而返回，例如为手机供电。

“然而，与此同时，构成阴极的一些过渡金属原子可能暂时侵入了空位，然后再次拉回，在这种跳跃上花费了宝贵的能量。或者，电压滞后的旧理论就这样过去了，”研究合作者-作者和 Skoltech 博士 学生阿纳托利莫罗佐夫说。

为了验证这一解释，研究人员在 Skoltech 的高级成像核心设施中使用透射电子显微镜来监测富锂电池阴极的原子结构，该阴极由具有化学式 Li 1.17 Ti 0.33 Fe 0.5 O 2的材料制成，在不同阶段电池的充放电循环(见下图)。然而，没有观察到铁或钛原子显着迁移到锂空位，这表明其他一些过程正在吸收能量。

“我们的发现激发了团队在别处寻找电压滞后的起源。引起这种现象的不是可逆的阳离子迁移，而是氧原子和过渡金属之间的电子可逆转移。当电池充电时，一些Skoltech 能源科学与技术中心负责人 Artem Abakumov 教授解释说，来自铁的电子被氧原子劫持。稍后，它们返回。这种可逆转移消耗了一些能量。

“了解电子转移方面的电压滞后可能会对减轻这种不受欢迎的影响产生直接影响，从而使具有创纪录高能量密度的下一代锂离子电池能够为电动汽车和便携式电子产品供电，”他继续说道。“为了实现下一步，化学家可以通过改变阳离子 - 阴离子键的共价键来操纵电子转移障碍，以元素周期表和“化学柔软度”等概念为指导。”

“这证明了先进的透射电子显微镜在破译极其复杂的局部结构方面的能力。Skoltech 的年轻研究人员能够直接和轻松地使用像差校正电子显微镜这样的精密设备，以及进一步培训的机会，这真的很棒。这使我们能够与学术界和工业界的国际同行合作，为顶级电池研究做出贡献，”莫罗佐夫补充道。

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