鋰離子電池有望為我們未來發(fā)展的道路帶來一場革命，但電動汽車的電池將需要在合理的成本范圍內(nèi)以及重量/體積內(nèi)擁有高功率密度。在當(dāng)前最先進(jìn)的鋰離子電池中，石墨陽極與包含過渡金屬氧化物材料的陰極配對，以允許鋰離子在電池充電和放電時可逆地脫/插層。但是，其中一種常用的過渡金屬是鈷（Co），其價格十分昂貴。然而降低Co含量和增加鎳（Ni）含量具有令人遺憾的副作用，即低電位下的氧的演變，這對電池的壽命會產(chǎn)生十分不利的影響。

現(xiàn)在來自德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員使用光子發(fā)射光譜技術(shù)證實(shí)：該單態(tài)氧（單態(tài)氧（Singletoxygen，1O2），也稱作單線態(tài)氧，是分子氧的順磁性狀態(tài)的一種通稱，它不如分子氧的正常狀態(tài)——三重基態(tài)（Tripletoxygen）穩(wěn)定。單線態(tài)氧屬于活性氧（reactiveoxygen），是普通氧（3O2）的激發(fā)態(tài)。總自旋為零，無順磁性。單線態(tài)氧雖不是自由基，但因解除了自旋限制所以反應(yīng)活性遠(yuǎn)比普通氧高。1O2在許多自由基反應(yīng)中可以形成）是產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)級聯(lián)的和不可逆轉(zhuǎn)電解質(zhì)氧化的反應(yīng)物種之一。Wandt等人將這一科研成果發(fā)表在了“MaterialsToday”雜志上。

“單態(tài)氧會經(jīng)歷雙分子輻射衰變，如果以足夠高的濃度產(chǎn)生，就會發(fā)出光子。”AnnaT.S.Freiberg解釋道。“在對已知釋放氧的不同活性材料進(jìn)行充電的過程中，我們使用光電倍增管裝置測量了這種光子發(fā)射。”

當(dāng)單態(tài)氧被釋放時，它與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，用于消耗液體電解質(zhì)，并因此使電池變干。除了活性材料表面上的貧氧層的電阻之外，氣體形成還導(dǎo)致電池更高的內(nèi)部壓力并增加電池電阻。最后，電池分解的產(chǎn)物可以化學(xué)地侵蝕活性材料，導(dǎo)致陽極處的過渡金屬溶解和陰極處活性鋰的損失。

“層狀過渡金屬氧化物在高電位/荷電狀態(tài)下的析氧歷史已經(jīng)有十多年了。”Freiberg指出。“但科學(xué)家們觀察到隨著這種氧氣的釋放，電解質(zhì)會發(fā)生分解，則是過去兩年內(nèi)的一個新的發(fā)現(xiàn)。”

Freiberg及其同事的最新觀察結(jié)果是過渡金屬陰極材料在充電過程中有單態(tài)氧釋放的第一個明確證據(jù)，并解釋了伴隨的電解質(zhì)分解情況。

Freiberg說：“有了這種在層狀過渡金屬氧化物充電過程中單態(tài)氧釋放的明確證據(jù)，我們對這些材料內(nèi)在老化機(jī)制的深入理解正在進(jìn)行中。”

研究結(jié)果表明：氧氣釋放的觸發(fā)點(diǎn)是電荷狀態(tài)，而不是潛在電位。穩(wěn)定鋰離子電池的晶格結(jié)構(gòu)和測試潛在電解質(zhì)對單態(tài)氧的敏感性，現(xiàn)在應(yīng)該是改善鋰離子電池壽命周期的有效途徑。有了這種新的認(rèn)識，我們可以探索和優(yōu)化富Ni的層狀過渡金屬氧化物陰極材料，將其用于電池應(yīng)用中，以取代目前高Co含量的選擇，因?yàn)镃o材料對于大規(guī)模商業(yè)化來說太昂貴。