电池为什么会损耗？科学家终于破解了密码

研究人员发现了电池退化背后的基本机制，这可能会彻底改变锂离子电池的设计，提高电动汽车（EV）的行驶里程和寿命，并推进清洁能源存储解决方案。

该研究确定了氢分子如何干扰电池中的锂离子，为更可持续、更经济的电池技术提供了见解。

揭示电池老化机理

随着时间的推移，电池的容量会逐渐减少，这就是为什么旧手机电量耗尽的速度更快。然而，这种普遍现象并没有被完全理解。

现在，由科罗拉多大学博尔德分校的一名工程师领导的一个国际研究小组揭示了这种电池退化背后的潜在机制。他们的发现可以帮助科学家开发更好的电池，这将使电动汽车跑得更远，使用寿命更长，同时也推进了能源存储技术，将加速向清洁能源的过渡。

研究结果发表在9月12日的《科学》杂志上。

对可再生能源和电动汽车的影响

该论文的通讯作者、化学与生物工程系教授迈克尔·托尼（Michael Toney）说：“通过弄清锂离子电池降解过程中的分子水平过程，我们正在帮助推进锂离子电池的发展。拥有更好的电池对于将我们的能源基础设施从化石燃料转向更多的可再生能源非常重要。”

工程师们多年来一直致力于设计不含钴的锂离子电池 —— 最常见的可充电电池。钴是一种昂贵的稀有矿物，其开采过程与严重的环境和人权问题有关。在钴产量占全球一半以上的刚果民主共和国，许多矿工都是儿童。

到目前为止，科学家们已经尝试使用镍和镁等其他元素来取代锂离子电池中的钴。但这些电池的自放电率甚至更高，自放电是指电池内部的化学反应减少了储存的能量，并随着时间的推移降低了容量。由于自放电，大多数电动汽车电池在需要更换之前的使用寿命为7到10年。

研究电池的自放电

托尼也是可再生和可持续能源研究所的研究员，他和他的团队开始调查自放电的原因。在典型的锂离子电池中，携带电荷的锂离子通过一种称为电解质的介质，从电池的一端（称为阳极）移动到另一端（称为阴极）。在这个过程中，这些带电离子的流动形成了为电子设备供电的电流。给电池充电会使带电离子的流动逆转，并使它们回到阳极。

此前，科学家们认为电池自放电是因为充电时并非所有的锂离子都回到阳极，从而减少了可形成电流并提供电力的带电离子的数量。

研究小组利用位于伊利诺伊州的美国能源部阿贡国家实验室的先进光子源（一种强大的X射线机），发现电池电解质中的氢分子会移动到阴极，并占据锂离子通常结合的位置。结果，锂离子在阴极上的结合空间减少，从而削弱了电流，降低了电池的容量。

电动车电池的未来之路

交通运输是美国最大的温室气体排放来源，占2021年美国温室气体排放量的28%。为了减少排放，许多汽车制造商已经承诺放弃开发汽油车，转而生产更多的电动汽车。但电动汽车制造商面临着一系列挑战，包括有限的行驶里程、更高的生产成本和比传统汽车更短的电池寿命。在美国市场，一辆典型的纯电动汽车一次充电可行驶约250英里，约为汽油车的60%。托尼说，这项新研究有可能解决所有这些问题。

“所有消费者都想要行驶里程大的汽车。其中一些低钴含量的电池可能提供更高的行驶里程，但我们也需要确保它们不会在短时间内崩溃，”他说，并指出减少钴也可以降低成本，解决人权和能源正义问题。

提高电池寿命的策略

随着对自放电机制的更好理解，工程师们可以探索几种方法来防止这一过程，比如在阴极上涂上一层特殊的材料来阻挡氢分子或使用不同的电解质。

托尼说：“现在我们了解了导致电池退化的原因，我们就可以向电池化学界通报电池设计时需要改进的内容。”

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