得益于研究人員空前地研究了更好，更持久的鋰離子電池的一個主要障礙，主要電池制造商正在開發(fā)的一項有前途的技術變得更具吸引力。能源部太平洋西北國家實驗室的科學家報告了有關如何使單晶，富鎳陰極更堅硬，更高效的新發(fā)現(xiàn)。研究小組在12月11日的《科學》雜志上發(fā)表了關于陰極的工作，陰極是當今電動汽車中常見的鋰離子電池中的一種關鍵成分。

全球的研究人員正在努力制造能提供更多能量，使用壽命更長且生產(chǎn)成本更低的電池。改進的鋰離子電池對于電動汽車的廣泛應用至關重要。

挑戰(zhàn)很多。電池的簡單外觀掩蓋了它的復雜性，控制其中的復雜分子相互作用對于設備正常運行至關重要。持續(xù)的化學反應會損害電池的壽命，從而限制電池的使用壽命，并影響電池的尺寸，成本和其他因素。

富鎳陰極的承諾：更大的能量容量

科學家正在研究通過增加鎳含量在陰極材料中存儲更多能量的方法。與其他關鍵電池材料(例如鈷)相比，鎳在鋰離子電池制造商中處于領先地位，主要是因為其相對較低的成本，廣泛的可用性和低毒性。

該論文的通訊作者，PNNL電池研究計劃小組負責人杰肖說：“富含鎳的陰極材料具有儲存更多能量的真正潛力。” “但是大規(guī)模部署一直是一個挑戰(zhàn)。”

盡管鎳具有廣闊的前景，但大量使用鎳會給電池帶來問題。材料晶格中的鎳越多，陰極的穩(wěn)定性就越差。高鎳含量會增加有害的副反應，損壞材料，并使儲存和處理非常困難。

充分利用更多鎳的所有益處，同時最大程度地減少弊端，這是一個挑戰(zhàn)。

當前，最常見的富鎳陰極為多晶形式，即一個較大顆粒中許多納米晶體的聚集體。這些具有用于更快地存儲和釋放能量的優(yōu)點。但是多晶有時會在重復循環(huán)中分解。這可能使大部分表面積暴露于電解質(zhì)中，從而加速了由高鎳含量引起的有害化學反應，并產(chǎn)生了氣體。這種不可逆轉(zhuǎn)的損壞會導致帶有富鎳陰極的電池更快失效，并引發(fā)安全隱患。

單晶，冰塊和鋰離子電池

像肖這樣的科學家正在嘗試通過創(chuàng)建單晶，富鎳陰極來規(guī)避許多這些問題。PNNL研究人員開發(fā)了一種在高溫下在熔融鹽(氯化鈉，普通食鹽)中生長高性能晶體的工藝。

與多晶材料相比，單晶有什么優(yōu)勢?想在露營時保持食物涼爽。一塊固態(tài)的冰塊融化的速度要比同樣大小的小塊冰塊融化的速度慢得多。冰塊更能抵抗較高溫度和其他外力的破壞。

這與富鎳陰極相似：在某些條件下，尤其是當鎳含量很高時，小晶體的聚集體比單晶更容易受到周圍環(huán)境的影響，因為鎳易于誘發(fā)有害的化學反應。隨著時間的流逝，隨著電池循環(huán)的不斷重復，聚集體最終被粉碎，從而破壞了陰極的結(jié)構(gòu)。當陰極中的鎳含量較低時，這并不是什么大問題;在這種條件下，含鎳的多晶陰極可提供高功率和穩(wěn)定性。但是，當科學家創(chuàng)造出一個鎳含量更高的陰極時，這個問題就變得更加突出了-這個陰極確實富含鎳。

陰極的微裂紋可逆，可預防

PNNL小組發(fā)現(xiàn)了富含鎳的單晶陰極破裂的原因之一：這是由于一種稱為晶體滑動的過程，其中晶體開始破裂，從而導致微裂紋。他們發(fā)現(xiàn)滑行在某些情況下是部分可逆的，并提出了完全避免損壞的方法。

“利用新的基本原理，我們將能夠防止單晶中的滑動和微裂紋。這與多晶形式的損壞不同，在多晶形式中，顆粒以不可逆的方式被粉碎。”

事實證明，晶體晶格層內(nèi)的滑動運動是微裂紋的根源。各層來回移動，就像洗牌時的紙牌一樣。滑行發(fā)生在電池充電和放電時-鋰離子離開并返回陰極，每次都使晶體變形得如此之小。在許多循環(huán)中，反復的滑動會導致微裂紋。

肖的團隊了解到，該過程可以通過鋰原子的自然作用部分地逆轉(zhuǎn)自身，鋰離子在進入晶格時會在一個方向上產(chǎn)生應力，而在離子離開時會在相反方向上產(chǎn)生應力。但是這兩個動作并不能完全相互抵消，隨著時間的流逝，會出現(xiàn)微裂紋。這就是為什么單晶最終會失敗的原因，盡管它們不會像多晶晶體那樣分解成小顆粒。

團隊正在采取幾種策略來防止滑行。研究人員發(fā)現(xiàn)，在4.2伏左右的通用電壓下操作電池可以最大程度地減少損壞，同時仍在電動汽車用鋰離子電池的正常范圍內(nèi)。該團隊還預測，即使在更高的電壓下，將單晶的尺寸保持在3.5微米以下也可以避免損壞。研究小組正在探索穩(wěn)定晶格的方法，以更好地適應鋰離子的到達和離開。

研究小組估計，與當今電動汽車中使用的鋰離子電池相比，單晶，富含鎳的陰極能多消耗25%的能量。

現(xiàn)在，由Xiao領導的PNNL研究人員正在與Albemarle Corporation合作，Albemarle Corporation是一家主要的特種化學品制造公司，并且是全球領先的電動汽車電池鋰生產(chǎn)商之一。在能源部(DOE)資助的一項合作中，該團隊將通過以千克規(guī)模展示該工藝，研究高級鋰鹽對單晶富鎳陰極材料性能的影響。

標簽： 下一代鋰離子電池