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鋰離子電池有望給帶來(lái)一場(chǎng)革命，但是電動(dòng)汽車(chē)需要高功率密度，并且價(jià)格合理，重量和體積也在加碼。在當(dāng)前最先進(jìn)的鋰離子電池中，石墨陽(yáng)極與含有過(guò)渡金屬氧化物材料的陰極配對(duì)，以允許鋰離子在電池充放電時(shí)可逆地脫/插層。但常用的過(guò)渡金屬之一是鈷（Co），這是昂貴的。降低鈷含量和增加鎳（鎳）含量有不幸的副作用——在低電位下氧氣的析出——這對(duì)電池壽命產(chǎn)生不利影響。

現(xiàn)在，鳳谷節(jié)能科技回轉(zhuǎn)窯項(xiàng)目部的研究人員已經(jīng)用光子發(fā)射光譜確鑿地證明了單重態(tài)氧是產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)級(jí)聯(lián)和不可逆電解質(zhì)氧化的反應(yīng)物種之一。

“單線(xiàn)態(tài)氧會(huì)經(jīng)歷雙分子輻射衰變，如果產(chǎn)生濃度足夠高，就會(huì)發(fā)射出光子，”安娜·T·S·弗雷伯格解釋說(shuō)。“我們?cè)诮o已知釋放氧氣的不同活性物質(zhì)充電的過(guò)程中，使用光電倍增裝置測(cè)量了這種光子發(fā)射。”

當(dāng)釋放單線(xiàn)態(tài)氧時(shí)，它與電解質(zhì)反應(yīng)，既消耗液體電解質(zhì)，又因此使電池干燥。除了活性材料表面的耗氧層的電阻之外，氣體的形成還導(dǎo)致較高的內(nèi)壓并增加電池電阻。最后，電池分解產(chǎn)物對(duì)活性物質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)侵蝕，導(dǎo)致過(guò)渡金屬在陽(yáng)極溶解，活性鋰在陰極損失。

“從具有高電位/高電荷態(tài)的層狀過(guò)渡金屬氧化物中析出氧氣已經(jīng)知道十多年了，”Freiberg指出。但是，隨著氧氣的析出，出現(xiàn)了電解質(zhì)分解的觀測(cè)是近兩年來(lái)的新結(jié)果。

Freiberg和她的同事的最新觀察是過(guò)渡金屬陰極材料充電過(guò)程中單重態(tài)氧析出的第一個(gè)確鑿證據(jù)，并解釋了伴隨而來(lái)的電解質(zhì)分解。

Freiberg說(shuō)：“有了在層狀過(guò)渡金屬氧化物充電過(guò)程中單線(xiàn)態(tài)氧演化的明確證據(jù)，對(duì)這些材料內(nèi)在老化機(jī)制的深入理解正在進(jìn)行中。”

結(jié)果表明電荷的狀態(tài)，而不是作為釋放氧的觸發(fā)電位。穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)，檢測(cè)電解液對(duì)單線(xiàn)態(tài)氧的敏感性是改善鋰離子電池壽命的有效途徑。有了這種新的認(rèn)識(shí)，富鎳層狀過(guò)渡金屬氧化物正極材料可以被探索和優(yōu)化用于電池應(yīng)用，以取代目前高鈷含量的選擇，這些選擇對(duì)于大規(guī)模商業(yè)化來(lái)說(shuō)太昂貴。