每日动态!研究人员探讨锂电池腐蚀原因 助力向清洁能源转型

据外媒报道，在向清洁能源转型的过程中，锂离子电池已经成为最突出的储能选项之一，因其能量密度高且成本低。但是，由于日历寿命（calendar life）短，即使是最先进的锂离子电池，也难以支持众多重型储能应用。

据称电池的容量下降至初始容量的80%，即达到日历寿命的终点。为了适应电网规模储能等重负载应用，避免产生高昂的更换成本，锂离子电池的日历寿命需要达到15-20年左右，但该技术远未达到这一水平。研究人员表示，为了使商业重型储能取得更大的成功，需要更密切地关注锂电池的腐蚀原因，以及如何抑制这种腐蚀。

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与所有电池一样，锂电池（包括锂离子电池）的日历寿命，取决于其在存储和充电循环中的稳定性（抗退化性），而循环稳定性又取决于负极、正极和电解液的稳定性，包括这些电池组件之间的界面及主体材料的稳定性。为了提高循环稳定性，电化学家致力于优化基体材料结构、调整界面和设计更好的电解液。北京理工大学的张学强表示：“但在改善决定日历寿命的第二个因素——存储稳定性，还有腐蚀如何破坏存储稳定性方面，投入的精力相对较少。”

锂电池可能有很长时间是在存储能量，而不是循环使用。在存储过程中会发生各种有害的化学反应，从而导致成分退化，尤其是电极材料的高反应性，以及收集电流的元素和电解液之间不兼容。这种退化（也称为腐蚀）降低了电池的结构稳定性，最终缩短了日历寿命。因此，要改善存储稳定性，必须侧重于更好地了解腐蚀机制，以及制定抗腐蚀策略。北京理工大学的研究人员黄佳琦表示：“研究人员希望概括性描述关于腐蚀和存储稳定性的研究现状，以便更好地了解和解决研究空白。在所有类型的锂电池中，在很大程度上，腐蚀仍然是有待解决的问题。”

在查阅了有关这一主题的科学文献后，研究人员认为，锂电池中的腐蚀反应主要涉及三个方面：铝集流器的电化学腐蚀；电池不锈钢外壳的电化学腐蚀；以及负极的电偶腐蚀（两种金属在同一介质中接触时出现的局部腐蚀现象， 电位较低金属的腐蚀速度加快，电位较高金属的腐蚀速度降低）。总的来说，腐蚀是由电极材料和电解液之间的化学反应和电化学反应引起的。

目前为止，研究人员主要关注三种抗腐蚀的策略，包括调节电解质分解反应；通过人工涂层来隔离电极材料与电解质；以及对电极材料进行表面改性，以降低其反应性。

研究人员提出五项主要建议，以推动对锂电池存储腐蚀问题的研究：

首先，需要深入研究锂电池中常见的电偶腐蚀（galvanic corrosion）问题。目前，几乎没有可以缓解这种情况的有效策略。对铜集流器进行表面改性，是一种值得探究的方法，通过使用电解质添加剂可以实现这一点。另外，为铜箔开发一种保护性表面涂层，可能也是一种方法。

其次，所有未来改进策略，都需要在温度、湿度等现实条件下进行评估，而不是局限于实验室。研究人员发现，通常情况下，大多数新型抗腐蚀策略都是在实验室中非常温和的环境条件下进行评估的，而不是在现实世界中。

相应地，第三种策略集中于加速评估进程。腐蚀通常是一个缓慢的过程，对其进行评估要耗费大量时间，因此成本较高。找出可以加快这一进程的方法，具有重要意义。

除了进行现实世界观察，研究人员还应该采用实时监测方法，了解工作电池的腐蚀情况。这将有助于更好地识别电池的健康状态，更为准确地预测电池寿命，避免突然发生电池故障。

最后，新的电池设计不断出现，加剧了这些问题。新的电极材料和电解质不断开发出来，研究人员会定期测试这些新设计的循环性能，但很少测试其对腐蚀的影响。然而，新材料可能相应地改变腐蚀机制，因此需要改变抗腐蚀策略。

研究人员希望，这些建议能够帮助电池开发人员在锂电池抗腐蚀方面取得突破，从而延长电池的使用寿命。

关键词： 北京理工大学 锂电池腐蚀 电池寿命 重型储能 锂离子电池