研究人员发现了锂离子电池容量损失的原因，这种电池广泛用于电子设备。这一见解可能会导致电动汽车的诞生，使其能够在不需要充电的情况下更长时间运行。
电池逐渐失去其电力，这就是为什么较新的手机消耗得更快。尽管这种现象很普遍，但其原因尚未完全理解。
最近，由科罗拉多大学博尔德分校的一位工程师领导的全球科学家团队发现了导致电池退化的核心机制。这一突破可能帮助研究人员制造出更优越的电池，使电动汽车能够行驶更远、使用更长时间，同时改善能源储存解决方案以促进向清洁能源的转型。
研究结果于9月12日在《科学》杂志上发布。
“我们通过了解导致锂离子电池衰退的分子过程，为锂离子电池的进步做出了贡献，”论文的主要作者、化学和生物工程系教授迈克尔·托尼表示。“提升电池性能对于将我们的能源系统从化石燃料转向更可持续的能源来源至关重要。”
多年来，工程师们专注于制造不含钴的锂离子电池，锂离子电池是最常见的可充电电池类型。钴是一种昂贵的稀有矿物，其开采引发了严重的环境和人权问题。在刚果民主共和国，该国生产了全球一半以上的钴，许多矿工是儿童。
迄今为止，科学家们试图用其他元素，如镍和镁，替代锂离子电池中的钴。然而，这些替代材料往往表现出更高的自放电率，这是指电池内部化学反应降低了储存的能量，随着时间的推移降低了其容量。由于自放电，大多数电动汽车电池的使用寿命通常为七到十年，之后需要更换。
托尼和他的团队研究了自放电的原因。在标准的锂离子电池中，携带电荷的锂离子通过电解质介质从阳极（电池的一侧）移动到阴极（另一侧）。这种离子移动产生电流，为电子设备供电。当电池充电时，这些带电离子的流动会反转，返回阳极。
之前，人们认为电池出现自放电是因为不是所有的锂离子在充电期间回到阳极，从而减少了维持电流和提供电力所需的可用带电离子。
利用美国能源部阿贡国家实验室的先进光源，这个高功率X射线设施，研究团队发现来自电池电解质的氢分子会迁移到阴极并占据锂离子通常附着的位置。这防止了锂离子有效地结合到阴极，从而削弱了电流并降低了电池的容量。
交通运输是美国温室气体排放的最大来源，负责了2021年该国28%的排放。对此，许多汽车制造商正在将重点从汽油汽车转向生产更多的电动汽车（EV）。然而，电动汽车制造商面临各种挑战，包括行驶范围有限、生产成本较高以及电池使用寿命相比于传统汽车更短。在美国市场，一辆标准电动汽车在单次充电时大约可以行驶250英里，大约是汽油车行驶范围的60%。根据托尼的说法，这项新研究的发现可能有助于解决这些问题。
“消费者希望车辆具有更长的行驶范围。一些含有较少钴的电池可以提供增强的行驶范围，但我们还必须确保它们在时间中保持性能，”他指出，强调减少钴的使用也可能降低成本，并解决与人权和能源正义相关的问题。
随着对自放电过程的更清晰理解，工程师们可以探索各种策略来缓解自放电，例如在阴极上施加保护涂层以阻止氢分子进入，或尝试不同的电解质。
“现在我们已经识别出导致电池退化的因素，我们可以指导电池化学界进行必要的电池设计改进，”托尼总结道。
