科學家發現延長鋰電池壽命的關鍵

日期: 2025-01-06 | 來源: 大紀元 | 有0人參與評論 | 字體: 小中大
目前使用的富鋰/富錳層狀氧化物（LMR-NMC）的鋰電池，其能量密度比傳統使用鎳、鈷、錳的鋰電池要高出20%左右，可以說是一種更經濟、更永續的替代方案，因此被視為下一代鋰電池（LIB）正極材料。但這種材料使用時間一長，容易釋放氧氣降低電池的容量和電壓，也會對電池整體產生不可逆的結果。

韓國浦項科技大學（POSTECH）電池工程系小組，發現了LMR-NMC中顆粒表面的相變途徑與氧穩定性之間的強相關性。他們透過改變鋰電池中的富鋰層狀氧化物耐久性（LLO），可有效延長鋰電池的壽命。

為了評估鋰電池中的電解質與陰極相互作用後對電化學的影響，他們先是將富鋰/富錳層狀氧化物（LMR-NMC）半電池與碳酸亞乙酯/碳酸二甲酯（EC/DMC）組成傳統的LP30電解質、DMC和LiPF6組成新型的2LPDMC電解質，然後進行長期充放電測試。

結果顯示，P30電解質與2LPDMC電解質在LMR-NMC半電池中，起到的作用大不相同。P30電解質容易使LMR-NMC半電池在經歷100到300次充放電後，只剩下原本70%的容量，而2LPDMC電解質可以在700次左右充放電後依然維持96.5%的容量。

他們還發現，P30電解質經過長期循環充放電後，顯著降低了放電電壓，而充電電壓則幾乎沒有變化。不過，2LPDMC的充電和放電曲線，則都朝著較低電位發展。

另外，LP30和LMR-NMC在進行100次循環後，錳離子幾乎沒有活化，但降低了鋰空位濃度，而2LPDMC中陰極表面經歷原子重構，可以觀察到錳離子出現明顯的氧化還原現象。

這種現象主要原因是P30電解質與LMR-NMC充放電過程中，會嚴重抑制電池中的陰離子被正常氧化還原，從而釋放氧氣破壞LLO整體的結構穩定性，但2LPDMC則出現正常的氧化還原現象，氧氣較少釋放出來。

研究團隊還發現，2LPDMC電解質在LMR-NMC半電池經歷了500至700次的循環充放電後，仍能維持高達84.3%的能量平均保留率，而LP30電解質在LMR-NMC半電池經歷300次循環充放電後，平均能量保留率僅為37.1%。

這項研究的結果表明，電化學LLO材料表面的結構變化，對LMR-NMC電池材料的整體穩定性有顯著影響。通過解決這些變化，能夠顯著提高電池陰極的使用壽命和性能，同時最大限度減少電池內部電解質分解等不必要的反應。

2015年拉斯維加斯消費電子展松下展位上的鋰離子電池展示品。(David Becker/Getty Images)

研究人員表示，未來會透過更多的相關研究，研發出一款穩定可行的電池陰極和建立穩定的固體電解質界面，最終實現降低可充電池成本和提高可充電池效益的願景。

該校的黑色金屬與生態材料技術研究所電池工程系洪志賢（Jihyun Hong）教授表示，“我們利用同步加速器輻射，分析陰極顆粒表面和內部之間的結構差異，發現陰極表面的穩定性對於材料的整體結構完整性至關重要。這項發現為我們開發下一代正極材料提供新的方向。”

這項成果於2024年11月底發表在《能源與環境科學》能源雜志上，同時得到了韓國國家研究基金會、韓國貿易、工業和能源部、韓國技術振興院，以及韓國科學和資訊通信技術部的支持和幫助。
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