電池隨著時間的推移會失去容量，這就是為什麼舊手機更快耗盡電量的原因。然而，這種普遍現象尚未完全被理解。

現在，由科羅拉多大學博爾德分校的工程師領導的國際研究小組揭示了這種電池退化背後的潛在機制。他們的發現可以幫助科學家開發更好的電池，這將使電動車跑得更遠、持續時間更長，同時也推進儲能技術，加速向清潔能源的過渡。

研究結果是發表9 月 12 日發表於雜誌上科學。

論文的通訊作者、化學與生物工程系教授 Michael Toney 表示：“我們正在通過弄清楚鋰離子電池降解過程中涉及的分子水平過程來幫助推進鋰離子電池的發展。”「擁有更好的電池對於將我們的能源基礎設施從化石燃料轉向更多燃料非常重要。再生能源」。

多年來，工程師們一直致力於設計不含鈷的鋰離子電池（最常見的可充電電池類型）。鈷是一種昂貴的稀有礦物，其開採過程與嚴重的環境和人權問題有關。在供應全球一半以上鈷的剛果民主共和國，許多礦工都是兒童。

到目前為止，科學家已經嘗試使用鎳和鎂等其他元素來取代鈷鋰離子電池。但這些電池的自放電率更高，即電池內部化學反應減少儲存的能量並隨著時間的推移降低其容量。由於自放電，大多數電動車電池的使用壽命為 7 至 10 年才需要更換。

東尼也是再生和永續能源研究所的研究員，他和他的團隊著手調查自放電的原因。在典型的鋰離子電池中，攜帶電荷的鋰離子會透過稱為電解質的介質從電池的一側（稱為陽極）移動到另一側（稱為陰極）。

在此過程中，這些帶電離子的流動形成電流為電子設備供電。為電池充電會反轉帶電離子的流動並使它們返回陽極。

先前，科學家認為電池會自放電，因為充電時並非所有鋰離子都會返回陽極，從而減少了可形成電流並提供電力的帶電離子數量。

使用美國能源部伊利諾伊州阿貢國家實驗室的先進光子源（一種強大的 X 射線機），研究小組發現電池電解質中的氫分子會移動到陰極並佔據鋰離子通常結合的位置。因此，鋰離子在陰極上的結合位置較少，從而削弱了電流並降低了電池的容量。

交通運輸是美國最大的溫室氣體排放源，2021 年佔全國排放量的 28%。

但電動車製造商面臨一系列挑戰，包括與傳統汽車相比，行駛里程有限、生產成本更高以及電池壽命更短。在美國市場，典型的全電動汽車一次充電可行駛約 250 英里，約為汽油車的 60%。托尼說，這項新研究有可能解決所有這些問題。

「所有消費者都希望汽車具有較長的行駛里程。其中一些低鈷含量電池可能會提供更高的續航里程。練習場，但我們還需要確保它們不會在短時間內崩潰，」他說，並指出減少鈷的使用還可以降低成本並解決人權和能源正義問題。透過更了解自放電機制，工程師可以探索一些方法來阻止該過程，例如用特殊材料塗覆陰極以阻止氫分子或使用不同的電解質。

托尼說：“現在我們了解了導致電池性能下降的原因，我們可以告知電池化學界在設計電池時需要改進的地方。”

更多資訊：