世界各地的研究人員都在努力制造能量更多、壽命更長(zhǎng)、生產(chǎn)成本更低的電池。改進(jìn)的鋰離子電池對(duì)于電動(dòng)車(chē)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要，而電池陰極是常見(jiàn)的鋰離子電池中的一個(gè)關(guān)鍵部件。
美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的科學(xué)家報(bào)告了如何使單晶、富含鎳的陰極更堅(jiān)固、更高效的新發(fā)現(xiàn)。通過(guò)使用高鎳含量的單晶材料作為陰極，他們實(shí)現(xiàn)了這些性能“兼得”的效果。該小組的研究成果以“Reversible planar gliding and microcracking in a single-crystalline Ni-rich cathode”為題，最新發(fā)表在12月11日的《科學(xué)》雜志上。
據(jù)悉，PNNL團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與最大的電動(dòng)汽車(chē)鋰供應(yīng)商Albemarle合作，并展示了這種材料千克量級(jí)的生產(chǎn)工藝。
電池的簡(jiǎn)單外表掩蓋了它的復(fù)雜性，而控制內(nèi)部復(fù)雜的分子相互作用對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行至關(guān)重要。持續(xù)不斷的化學(xué)反應(yīng)會(huì)對(duì)電池造成傷害，它會(huì)限制電池的使用時(shí)間，影響電池的大小、成本和其他因素。
富鎳陰極的前景：容量與安全的矛盾
科學(xué)家們正在研究通過(guò)增加鎳的含量來(lái)在陰極材料中存儲(chǔ)更多能量的方法。鋰離子電池制造商之所以將鎳列入設(shè)計(jì)階段，主要是因?yàn)榕c鈷等其他關(guān)鍵電池材料相比，鎳的成本相對(duì)較低、容易獲得且毒性較低。
該論文的通訊作者、PNNL電池研究項(xiàng)目組長(zhǎng)Jie Xiao表示:“富含鎳的正極材料具有儲(chǔ)存更多能量的真正潛力�！薄暗笠�(guī)模部署一直是一個(gè)挑戰(zhàn)�！�
雖然鎳很有前景，但含量過(guò)高會(huì)給電池帶來(lái)問(wèn)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(huì)增加不必要的副反應(yīng)，破壞材料，使儲(chǔ)存和處理非常困難。
開(kāi)發(fā)更多鎳帶來(lái)的所有好處，同時(shí)將缺點(diǎn)最小化，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。
目前，最常見(jiàn)的富鎳陰極是以多晶體的形式出現(xiàn)的——即許多納米晶體在一個(gè)更大的粒子中的聚集體。這些具有儲(chǔ)存和釋放能量更快的優(yōu)點(diǎn)。但在反復(fù)循環(huán)過(guò)程中，多晶體有時(shí)會(huì)分解。這可能會(huì)使大部分表面積暴露在電解液中，加速由高鎳含量引起的不必要的化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生氣體。這種不可逆的損害會(huì)導(dǎo)致電池的陰極鎳含量高，電池會(huì)更快失效，并引發(fā)安全問(wèn)題。
單晶體、固態(tài)透明的鋰離子電池
Jie Xiao等科學(xué)家正試圖通過(guò)制造一種富含鎳的單晶陰極來(lái)避開(kāi)這些問(wèn)題。PNNL的研究人員開(kāi)發(fā)了一種在熔融鹽(氯化鈉，普通食鹽)中在高溫下生長(zhǎng)高性能晶體的方法。
與多晶材料相比，單晶材料的優(yōu)點(diǎn)是什么？想想你的食物在露營(yíng)時(shí)保持涼爽。一塊固態(tài)的冰比同等數(shù)量的小冰塊融化得慢得多；冰塊更能抵抗高溫和其他外力的破壞。
這與富含鎳的陰極類(lèi)似：在某些條件下，一堆小晶體比單晶更容易受到周?chē)h(huán)境的傷害，特別是在鎳含量高的情況下，因?yàn)殒嚾菀滓鸩槐匾幕瘜W(xué)反應(yīng)。
隨著時(shí)間的推移，隨著電池的反復(fù)循環(huán)，這些聚集物最終會(huì)粉碎，破壞陰極的結(jié)構(gòu)。當(dāng)陰極中的鎳含量較低時(shí)，這并不是什么大問(wèn)題；在這種條件下，含有鎳的多晶硅陰極提供高功率和穩(wěn)定性。然而，當(dāng)科學(xué)家們制造出含有更多鎳的陰極——一種真正富含鎳的陰極時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得更加明顯。
陰極微裂紋可逆、可預(yù)防
PNNL團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)富含鎳的單晶陰極斷裂的原因：是由于一個(gè)被稱(chēng)為晶體滑動(dòng)的過(guò)程，即晶體開(kāi)始斷裂，導(dǎo)致微裂紋。他們發(fā)現(xiàn)在某些情況下滑翔是部分可逆的，并提出了避免損害的方法。
“有了新的基本認(rèn)識(shí)，我們將能夠防止單晶的滑動(dòng)和微裂紋。這不同于多晶硅的破壞，后者的顆粒在一個(gè)不可逆的過(guò)程中被粉碎。”Jie Xiao說(shuō)。
事實(shí)證明，晶體晶格層內(nèi)的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)是微裂紋的根源。這些層來(lái)回移動(dòng)，就像洗牌一樣�；瑒�(dòng)發(fā)生在電池充電和放電時(shí)——鋰離子離開(kāi)并返回陰極，每一次輕微地扭曲晶體。在許多周期內(nèi)，反復(fù)滑動(dòng)導(dǎo)致微裂縫。
Jie Xiao的團(tuán)隊(duì)了解到，這一過(guò)程可以通過(guò)鋰原子的自然作用部分逆轉(zhuǎn)，當(dāng)離子進(jìn)入晶格時(shí)，鋰原子在一個(gè)方向產(chǎn)生壓力，當(dāng)離子離開(kāi)晶格時(shí)，鋰原子在另一個(gè)方向產(chǎn)生壓力。但這兩種行為并不能完全抵消對(duì)方的影響，隨著時(shí)間的推移，微裂紋就會(huì)發(fā)生。這就是單晶最終失敗的原因，盡管它們不會(huì)像多晶那樣分解成小顆粒。
這支團(tuán)隊(duì)正在采取幾種策略來(lái)防止這種‘離面"現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)，在普通電壓(約4.2伏特)下運(yùn)行電池，在仍處于電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池正常工作范圍內(nèi)的情況下，可以將損壞降到最低。該小組還預(yù)測(cè)，將單晶的尺寸保持在3.5微米以下，即使在較高的電壓下也可以避免損壞。該團(tuán)隊(duì)正在探索穩(wěn)定晶格的方法，以更好地適應(yīng)鋰離子的接觸和離面。
研究小組估計(jì)，與目前電動(dòng)車(chē)中使用的鋰離子電池相比，這種富含鎳的單晶陰極至少要多消耗25%的能量。
現(xiàn)在，由Jie Xiao領(lǐng)導(dǎo)的太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員正在與Albemarle公司合作。Albemarle公司是一家主要的特種化學(xué)品制造公司，也是全球電動(dòng)車(chē)電池鋰的主要生產(chǎn)商之一。在能源部資助的一項(xiàng)合作中，研究小組將通過(guò)演示千克級(jí)的過(guò)程來(lái)研究高級(jí)鋰鹽對(duì)富含鎳的單晶陰極材料性能的影響。
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