世界各地的研究人員都在努力制造能量更多、壽命更長、生產(chǎn)成本更低的電池。改進的鋰離子電池對于電動車的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要，而電池陰極是常見的鋰離子電池中的一個關(guān)鍵部件。
美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科學(xué)家報告了如何使單晶、富含鎳的陰極更堅固、更高效的新發(fā)現(xiàn)。通過使用高鎳含量的單晶材料作為陰極，他們實現(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團隊已經(jīng)與最大的電動汽車鋰供應(yīng)商Albemarle合作，并展示了這種材料千克量級的生產(chǎn)工藝。
電池的簡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設(shè)備正常運行至關(guān)重要。持續(xù)不斷的化學(xué)反應(yīng)會對電池造成傷害，它會限制電池的使用時間，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)家們正在研究通過增加鎳的含量來在陰極材料中存儲更多能量的方法。鋰離子電池制造商之所以將鎳列入設(shè)計階段，主要是因為與鈷等其他關(guān)鍵電池材料相比，鎳的成本相對較低、容易獲得且毒性較低。
該論文的通訊作者、PNNL電池研究項目組長Jie Xiao表示:“富含鎳的正極材料具有儲存更多能量的真正潛力�！薄暗笠�(guī)模部署一直是一個挑戰(zhàn)�！�
雖然鎳很有前景，但含量過高會給電池帶來問題。材料晶格中的鎳越多，陰極的穩(wěn)定性就越差。高鎳含量會增加不必要的副反應(yīng)，破壞材料，使儲存和處理非常困難。
開發(fā)更多鎳帶來的所有好處，同時將缺點最小化，這是一個挑戰(zhàn)。
目前，最常見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更大的粒子中的聚集體。這些具有儲存和釋放能量更快的優(yōu)點。但在反復(fù)循環(huán)過程中，多晶體有時會分解。這可能會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導(dǎo)致電池的陰極鎳含量高，電池會更快失效，并引發(fā)安全問題。
單晶體、固態(tài)透明的鋰離子電池
Jie Xiao等科學(xué)家正試圖通過制造一種富含鎳的單晶陰極來避開這些問題。PNNL的研究人員開發(fā)了一種在熔融鹽(氯化鈉，普通食鹽)中在高溫下生長高性能晶體的方法。
與多晶材料相比，單晶材料的優(yōu)點是什么？想想你的食物在露營時保持涼爽。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似：在某些條件下，一堆小晶體比單晶更容易受到周圍環(huán)境的傷害，特別是在鎳含量高的情況下，因為鎳容易引起不必要的化學(xué)反應(yīng)。
隨著時間的推移，隨著電池的反復(fù)循環(huán)，這些聚集物最終會粉碎，破壞陰極的結(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，含有鎳的多晶硅陰極提供高功率和穩(wěn)定性。然而，當科學(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，這個問題變得更加明顯。
陰極微裂紋可逆、可預(yù)防
PNNL團隊發(fā)現(xiàn)了一個富含鎳的單晶陰極斷裂的原因：是由于一個被稱為晶體滑動的過程，即晶體開始斷裂，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。
“有了新的基本認識，我們將能夠防止單晶的滑動和微裂紋。這不同于多晶硅的破壞，后者的顆粒在一個不可逆的過程中被粉碎�！盝ie Xiao說。
事實證明，晶體晶格層內(nèi)的滑動運動是微裂紋的根源。這些層來回移動，就像洗牌一樣�；瑒影l(fā)生在電池充電和放電時——鋰離子離開并返回陰極，每一次輕微地扭曲晶體。在許多周期內(nèi)，反復(fù)滑動導(dǎo)致微裂縫。
Jie Xiao的團隊了解到，這一過程可以通過鋰原子的自然作用部分逆轉(zhuǎn)，當離子進入晶格時，鋰原子在一個方向產(chǎn)生壓力，當離子離開晶格時，鋰原子在另一個方向產(chǎn)生壓力。但這兩種行為并不能完全抵消對方的影響，隨著時間的推移，微裂紋就會發(fā)生。這就是單晶最終失敗的原因，盡管它們不會像多晶那樣分解成小顆粒。
這支團隊正在采取幾種策略來防止這種‘離面"現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)，在普通電壓(約4.2伏特)下運行電池，在仍處于電動汽車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，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。該團隊正在探索穩(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，與目前電動車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)的太平洋國家實驗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，也是全球電動車電池鋰的主要生產(chǎn)商之一。在能源部資助的一項合作中，研究小組將通過演示千克級的過程來研究高級鋰鹽對富含鎳的單晶陰極材料性能的影響。
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