研究過程中用到的氧化鐵電極，由廉價無毒的磁鐵礦制成。比起目前的電極材料，磁鐵礦等轉(zhuǎn)換型電極材料(即和鋰發(fā)生反應(yīng)時轉(zhuǎn)換為全新產(chǎn)物)，可以儲存更多的能量，因為它們可以容納更多鋰離子。“然而，這些材料的儲能能力衰減非?？欤⑶乙蕾囉陔娏髅芏?。例如，我們對磁鐵礦的電化學(xué)測試顯示，磁鐵礦的容量在前10個高速充放電周期內(nèi)急速下降。”此項研究負責(zé)人、功能納米材料中心(CFN)電子顯微鏡小組的領(lǐng)導(dǎo)Dong Su表示。CFN是設(shè)于布魯克海文國家實驗室內(nèi)的美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。

為了找出循環(huán)不穩(wěn)定的原因，科學(xué)家們試圖觀察，當(dāng)電池完成100次循環(huán)后，磁鐵礦的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)變化情況。他們結(jié)合透射電子顯微鏡(TEM)和同步X射線吸收光譜(XAS)，進行研究。TEM的電子束通過樣本傳輸，產(chǎn)生特征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖像或衍射圖案，XAS利用X射線來探測材料的化學(xué)性質(zhì)。

科學(xué)家們利用這些技術(shù)發(fā)現(xiàn)，第一次放電時，磁鐵礦完全分解成金屬鐵納米顆粒和氧化鋰。但在接下來的充電過程中，這種轉(zhuǎn)化反應(yīng)并不是完全可逆的，金屬鐵和氧化鋰的殘留物仍然存在。此外，磁鐵礦原始的“尖晶石”結(jié)構(gòu)在帶電狀態(tài)下演化為“巖鹽”結(jié)構(gòu)(在兩種結(jié)構(gòu)中，鐵原子的位置并不完全相同)。在隨后的充放電循環(huán)中，巖鹽氧化鐵與鋰相互作用，形成氧化鋰與金屬鐵納米顆粒的復(fù)合物質(zhì)。因為轉(zhuǎn)化反應(yīng)不是完全可逆的，這些殘余產(chǎn)物會逐漸積累起來。科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)(使鋰離子在兩個電極之間流動的化學(xué)介質(zhì))在隨后的循環(huán)中會分解。

在研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們提出一種儲能能力衰退的解釋。CFN電子顯微鏡小組的科學(xué)家、共同首席作者Sooyeon Hwang說，“由于氧化鋰的電子導(dǎo)電性較低，它的積累會對在電池正負極之間穿梭的電子形成屏障，我們把它叫做內(nèi)部鈍化層。同樣，電解質(zhì)分解也會形成表面鈍化層，阻礙離子傳導(dǎo)。這些障礙累積起來，阻礙電子和鋰離子到達發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的活性電極材料。”

科學(xué)家們指出，在低電流下運行電池，可以通過減慢充電速度，恢復(fù)部分容量為電子傳輸提供足夠的時間;然而，要徹底解決這一問題，還需要其他方案。他們認為，在電極材料中添加其他元素和改變電解質(zhì)，可以改善容量衰減。