虽然锂离子电池可以帮助拯救地球，但在某些方面，它和其他电池一样:它会随着时间和操作而退化，从而对其寿命造成影响。

　　随着我们的数字化和移动生活方式的发展，锂离子电池为大多数电动汽车(ev)提供动力。因此，在从化石燃料汽车转型的过程中，延长电池的使用寿命对电动汽车的广泛采用至关重要。科学家们正在努力寻找电池退化的原因，以延长电池的使用寿命。

　　具体来说，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家们正在与美国其他实验室和学术机构合作，研究一种名为自放电的现象。这是电池中的一系列化学反应，随着时间的推移会导致性能下降，缩短电池的寿命。

　　在自放电过程中，充电的锂离子电池即使不使用也会损失储存的能量。例如，一辆电动汽车停放一个月或更长时间，可能由于电池电压低和充电不足而无法运行。

　　“自放电是所有可充电电化学设备都会经历的现象，”阿贡国家实验室高级化学家陈宗海说。“这个过程会慢慢消耗宝贵的功能电池材料，并在电池组件表面沉积不需要的副产品。这会导致电池性能持续下降。”

　　为了找到自放电的原因，科学家们需要确定触发电池降解过程的复杂化学机制。锂离子电池是可充电的，利用锂离子储存能量。阴极和电解质是锂离子电池的两个关键组成部分。电池的寿命会受到阴极退化的影响。

　　虽然科学家们在了解锂离子电池方面取得了重大进展，但关于什么原因导致自放电现象的争论仍在继续。

　　关于阴极退化的普遍观点集中在两个方面:锂的损失或阴极的氧释放。同时，理论研究预测，电解质在阴极表面易于分解。这在锂离子电池中电解液的分解和阴极的降解之间造成了一个关键的知识鸿沟。

　　最近，包括阿贡国家实验室、美国能源部SLAC国家加速器实验室和DEVCOM美国陆军研究实验室(ARL)在内的几所学术大学和国家实验室的一个研究小组在《科学》杂志上发表了一篇新论文，弥合了这一知识差距。本研究验证了阴极加氢机制是导致电池自放电退化的途径。这项研究是由美国能源部能源效率和可再生能源办公室、汽车技术办公室资助的。

　　科学家们说，如果没有阿贡的先进光子源(APS)，他们就无法验证他们的发现。阿贡是世界上首屈一指的基于存储环的高能x射线光源设施之一。APS是美国能源部科学办公室的用户设施。光源利用电子以接近光速的速度在存储环中旋转，产生x射线束，使科学家能够在原子水平上揭示电池的内部工作原理。

　　“我们非常感谢先进光子源的最先进的x射线设施和支持。这是x射线研究和电化学的理想结合，使我们能够发现锂离子电池中阴极氢化如何发生并影响自放电，”该研究的负责人、斯坦福大学物理科学研究科学家万钢说。

　　电池的内部工作较为复杂，基本上是将电化学能量直接转化为电能。电池由阳极、电解液、分离器和阴极组成。

　　电解质在阴极和阳极之间传递离子或携带电荷的粒子，从而储存锂。阴极和阳极都有自放电现象。阴极材料至关重要，因为它决定了电池能储存多少能量。在他们的新研究中，研究小组使用了层状锂过渡金属氧化物，一种原型阴极材料。

　　“为这些阴极材料找到合适的化学物质对于提高电池的化学稳定性和降低自放电率是必要的，”合著者迈克尔·f·托尼说，他是化学工程和材料科学教授，也是科罗拉多大学博尔德分校可再生和可持续能源研究所的研究员。“阴极的退化会缩短电池的寿命。”

　　在他们的研究中，该团队发现了一种触发自放电机制的实验和计算证明:阴极氢化，或者是将质子和电子从电解质溶剂动态转移到阴极中高电荷层状氧化物的过程。该机制解释了阴极上导致电池退化的污染产物的化学性质。

　　与Chen早期利用高能x射线衍射研究阴极材料分解机制的开创性论文一起，这项新研究揭示了阴极氢基降解机制。

　　基于他们的研究结果，科学家们可以进一步开发自下而上的方法来减少自放电和阴极退化，以延长电池寿命。

　　Chen说:“通过减少自放电，我们可以设计出更小、更轻、更便宜的电池，而不会牺牲电池的寿命终止性能。”

　　阿贡实验室的光束线科学家孙成军、雪莱·凯利和张展利用APS与万一起设计了x射线光谱和散射实验，验证了这一具有里程碑意义的发现。

　　“x射线光谱测量允许对阴极内的镍、锰和钴金属原子进行原子观察，”凯利说。“使用APS，我们可以看到阴极表面质子积累的影响，最终导致自放电。”

　　APS每年接待来自世界各地的5500多名科学家，目前正在进行大规模升级，将用一种新的、更强大的模型取代目前的电子存储环。2024年晚些时候完成后，升级将使APS x射线光束的亮度提高500倍。

　　“研究团队，包括许多APS的长期用户，很高兴接受APS升级带来的新的和令人兴奋的机会，以瞄准能源科学的重大挑战，包括制造更好的电池，”万说。