电池容量会随着时间的推移而下降，这就是旧手机电量耗尽更快的原因。然而，这种常见现象尚未完全被理解。
据外媒报道，由科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）的一名工程师领导的国际研究小组揭示了这种电池退化背后的潜在机制，将帮助科学家开发更好的电池，让电动汽车跑得更远、续航时间更长，同时也能推动能源存储技术的发展，加速向清洁能源的过渡。
图片来源：科罗拉多大学博尔德分校
“我们正在通过研究锂离子电池降解的分子水平过程来帮助推进锂离子电池的发展，”该论文的通讯作者、化学与生物工程系教授Michael Toney表示。“拥有更好的电池对于将我们的能源基础设施从化石燃料转向更多可再生能源非常重要。”
多年来，工程师们一直致力于设计不含钴的锂离子电池（最常见的可充电电池类型）。因为钴是一种昂贵的稀有矿物，其开采过程涉及严重的环境无人和人权问题。
到目前为止，科学家们已经尝试使用镍和镁等其他元素来替代锂离子电池中的钴。但这些电池的自放电率更高，即电池内部的化学反应会随着时间的推移减少储存的能量并降低其容量。由于自放电，大多数电动汽车电池的使用寿命为7至10年，之后才需要更换。
Toney也是可再生和可持续能源研究所的研究员，他和团队着手调查自放电的原因。在典型的锂离子电池中，携带电荷的锂离子通过一种称为电解质的介质从电池的一侧（称为阳极）移动到另一侧（称为阴极）。
在此过程中，这些带电离子的流动形成电流，为电子设备供电。给电池充电会逆转带电离子的流动并将它们返回到阳极。
以前，科学家们认为电池会自放电，因为充电时并非所有锂离子都会返回阳极，从而减少了可用于形成电流和提供电力的带电离子的数量。
研究小组利用美国能源部位于伊利诺伊州的阿贡国家实验室的先进光子源（一种强大的X射线机）发现，电池电解质中的氢分子会移动到阴极并占据锂离子通常结合的位置。结果，锂离子在阴极上结合的位置更少，从而削弱了电流并降低了电池的容量。
交通运输是美国最大的温室气体排放源，占2021年该国排放量的28%。为了减少排放，许多汽车制造商已承诺不再开发汽油车，而是生产更多的电动汽车。
但电动汽车制造商面临着一系列挑战，包括续航里程有限、生产成本较高以及电池寿命比传统汽车更短。在美国市场，一辆典型的纯电动汽车一次充电可以行驶约250英里，约为汽油车的60%。Toney表示，这项新研究有可能解决所有这些问题。
“所有消费者都希望提高汽车的续航里程。其中一些低钴含量的电池可能会提供更高的续航里程，但我们还需要确保它们不会在短时间内崩溃，”Toney表示，并指出减少钴含量还可以降低成本并解决人权和能源相关问题。
通过更好地了解自放电机制，工程师们可以探索一些方法来阻止这一过程，例如用特殊材料涂覆阴极以阻挡氢分子或使用不同的电解质。“现在我们了解了导致电池性能下降的原因，我们可以告知电池化学界在设计电池时需要改进的地方，” Toney补充说。
