【2024年09月28日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）從智能手錶到電動車，甚至一些電廠的儲能系統都在使用鋰電池。但鋰電池的容量會隨著使用次數和時間增長逐漸衰退，其原因眾說紛紜。美國一所大學的最新研究發現，氫離子是導致電池衰退的主要原因。
鋰電池的使用壽命（充放電次數）和容量，一直是廠商和消費者關注的話題。例如，購買電動車或手機的人就會關注鋰電池的充放電次數和容量，畢竟更換一組鋰電池就意味著要花費大量金錢。
這讓不少科學家試圖找可以替代鋰電池的新電池。雖然這些新型的電池擁有更高的自放電率，但它們依然會隨著時間、使用次數增加，而降低其容量。
電池中的鋰離子在充放電時，會透過電解液在陰陽極之間來回穿梭形成電流。先前科學家認為電池會自行放電，且電池充電時不是所有的鋰離子都會返回陽極，而是有鋰離子鑲嵌在陰極上，使電池整體反應能力降低，最終導致電池容量下降，但這一推斷存在許多疑問。
這次，美國科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado at Boulder）的工程師領導的國際研究小組，經過進一步探究發現，氫離子（H+）是鋰離子不願意回到原始電極的「元凶」之一，並非是鋰離子（Li+）造成的結果。
該過程就像使用一台新電腦（電池）與超高網速（鋰離子）去上網和工作。開始的時候，電腦的效能和網速都很好，但使用一段時間發現網速和電腦均出現卡頓（電池容量下降）。原本以為是電腦老化或網速降低造成，但經檢驗發現是黑客（氫離子）劫持和破壞電腦系統（陰極）和網絡，造成整體效能降低。
研究人員使用美國能源部阿貢國家實驗室的先進光子源（一種強大X光射線分析儀器），觀測鋰電池的放電過程。結果發現，電解液中的氫離子會移動到陰極，逐漸與陰極（磷酸鐵、鎳鈷錳等金屬）的脫鋰氧化物發生反應，並逐漸占據鋰離子與陰極結合的位置，導致鋰離子無法正常回歸陰極，並影響陰極結構的穩定性，從而削弱電池的電流和容量。
研究人員還利用鋰離子和氫離子與陰極進行氧化反應時所形成的化學膨脹狀況不同，去辨別兩者對於陰極的影響程度。他們觀察到陰極確實有氫離子堆積的狀況，這一發現支持X光射線分析儀器觀測到的結果。
氫離子破壞了鋰電池原本「完美的」氧化還原反應，先是使一點點陰極材料逐漸劣質化，而劣質化範圍會隨著時間逐漸擴大。另外，氫離子影響的不僅是陰極，它們也會不斷從電解液中脫離，使電解液的效力受損，這些都會破壞電池整體的效能和壽命。
研究人員表示，困擾科學界已久的謎題被揭示出來，讓科學家更好地了解了自放電機制，還可以讓他們研發一些方法來阻止該過程。包括使用特殊材料塗覆在陰極上以阻止氫離子附著，或使用不同的電解質減少氫離子產生。
該研究成果發表在9月12日的《科學》期刊上。論文的通訊作者、科羅拉多大學博爾德分校化學與生物工程系邁克爾‧托尼（Michael Toney）教授對該校的新聞室表示，「我們正在弄清楚鋰電池在降解過程時，產生的鋰離子和氫離子的濃度變化，藉由這些變化幫助我們看清鋰電池的內部，而這種新發現能幫助我們造出更好的電池。」
「現在我們了解導致電池退化的其中一項主因，同時也告知電池化學界他們在電池設計時，哪些地方需要改進。」他說。
