影响锂离子电池寿命的新的罪魁祸首之一：单态氧

图片显示：单态氧的发展变化以及使用光子发射光谱的检测结果。图片来源：德国慕尼黑工业大学

锂离子电池有望为我们未来发展的道路带来一场革命，但电动汽车的电池将需要在合理的成本范围内以及重量/体积内拥有高功率密度。在当前最先进的锂离子电池中，石墨阳极与包含过渡金属氧化物材料的阴极配对，以允许锂离子在电池充电和放电时可逆地脱/插层。但是，其中一种常用的过渡金属是钴（Co），其价格十分昂贵。然而降低Co含量和增加镍（Ni）含量具有令人遗憾的副作用，即低电位下的氧的演变，这对电池的寿命会产生十分不利的影响。

现在来自德国慕尼黑工业大学的研究人员使用光子发射光谱技术证实：该单态氧（单态氧（Singlet oxygen，1O2），也称作单线态氧，是分子氧的顺磁性状态的一种通称，它不如分子氧的正常状态——三重基态（Triplet oxygen）稳定。单线态氧属于活性氧（reactive oxygen），是普通氧（3O2）的激发态。总自旋为零，无顺磁性。单线态氧虽不是自由基，但因解除了自旋限制所以反应活性远比普通氧高。1O2在许多自由基反应中可以形成）是产生化学反应级联的和不可逆转电解质氧化的反应物种之一。Wandt等人将这一科研成果发表在了“Materials Today”杂志上。

“单态氧会经历双分子辐射衰变，如果以足够高的浓度产生，就会发出光子。”Anna T. S. Freiberg解释道。“在对已知释放氧的不同活性材料进行充电的过程中，我们使用光电倍增管装置测量了这种光子发射。”

当单态氧被释放时，它与电解质发生反应，用于消耗液体电解质，并因此使电池变干。除了活性材料表面上的贫氧层的电阻之外，气体形成还导致电池更高的内部压力并增加电池电阻。最后，电池分解的产物可以化学地侵蚀活性材料，导致阳极处的过渡金属溶解和阴极处活性锂的损失。

“层状过渡金属氧化物在高电位/荷电状态下的析氧历史已经有十多年了。”Freiberg指出。“但科学家们观察到随着这种氧气的释放，电解质会发生分解，则是过去两年内的一个新的发现。”

Freiberg及其同事的最新观察结果是过渡金属阴极材料在充电过程中有单态氧释放的第一个明确证据，并解释了伴随的电解质分解情况。

Freiberg说：“有了这种在层状过渡金属氧化物充电过程中单态氧释放的明确证据，我们对这些材料内在老化机制的深入理解正在进行中。”

研究结果表明：氧气释放的触发点是电荷状态，而不是潜在电位。稳定锂离子电池的晶格结构和测试潜在电解质对单态氧的敏感性，现在应该是改善锂离子电池寿命周期的有效途径。有了这种新的认识，我们可以探索和优化富Ni的层状过渡金属氧化物阴极材料，将其用于电池应用中，以取代目前高Co含量的选择，因为Co材料对于大规模商业化来说太昂贵。