美國能源部發明新陰極結構 可實現更持久安全的鋰離子電池
時間:2022-09-11 17:48來源:蓋世汽車 作者:劉麗婷
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據外媒報道，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的研究人員在MNC（鎳錳鈷氧化）陰極方面取得新進展，研發出用于陰極微尺寸顆粒的新結構，可以制造更持久、更安全的電池，從而能夠超高電壓下運行，并實現更長的續航里程。研究相關論文目前已發表于期刊《Nature Energy》。
圖片來源：阿貢國家實驗室
助理化學家Guiliang Xu表示：“當前的NMC陰極是高壓操作的一大障礙。在充放電循環過程，由于陰極顆粒中形成裂紋，電池性能會迅速下降。幾十年來，電池研究人員一直在尋找消除這些裂縫的方法。”
過去，研究人員采用由許多小型顆粒組成的微型球形顆粒解決裂縫問題。大的球形顆粒是多晶的，具有不同取向的結晶區域。但這些顆粒之間都存在晶界（科學家如此稱之），會導致電池循環時破裂。為了防止破裂，Xu及其同事之前已經在每個粒子周圍開發了一種保護性聚合物涂層，圍繞著大球形顆粒和內部小型顆粒。
避免裂縫的另一種方法為單晶顆粒，因為電子顯微鏡表明單晶顆粒沒有邊界。但研究團隊發現由涂層多晶和單晶制成的陰極在循環過程中仍會形成裂縫。因此，他們在美國能源部阿貢科學辦公室用戶設施的先進光子源（APS）和納米材料中心（CNM）對這些陰極材料進行了廣泛的分析。
在五個APS光束線（11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C和34-ID-E）上進行了不同的X射線分析。電子和X射線顯微鏡結果證明，科學家們認為的單晶實際上在內部也有邊界。CNM的掃描和透射電子顯微鏡結果也證實了這一發現。
物理學家Wenjun Liu表示：“當我們觀察這些粒子的表面形態時，它們看起來像單晶，但是當我們在APS使用一種同步加速器X射線衍射顯微鏡和其他技術的技術進行分析時，我們發現其內部隱藏有邊界。”
重要的是，該團隊開發出一種生產無邊界單晶的方法。在超高電壓下對具有這種單晶陰極的小型電池進行的測試表明，每單位體積的能量存儲增加了25%，且在100次測試循環中幾乎沒有性能損失。相比之下，在相同的循環壽命內，由具有許多內部邊界的單晶或具有涂層的多晶組成的NMC陰極的容量下降了60%至88%。
圖片來源：阿貢國家實驗室
原子級的計算揭示了陰極容量下降背后的機制。根據CNM的納米科學家Maria Chan的說法，與遠離邊界的區域相比，邊界更容易在電池充電時失去氧原子，而這種氧原子損失會導致電芯循環降解。
Chan表示：“我們的計算顯示了邊界如何導致高壓下的氧氣釋放，從而導致性能下降。”
消除邊界可防止氧原子釋放，從而提高陰極的安全性和循環穩定性。APS的氧氣釋放測量和美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的高級光源也證明了這一發現。
阿貢杰出研究員Khalil Amine表示：“憑借這一發現，電池制造商可以制備無邊界且在高壓下工作的陰極材料。不僅如此，該指南還適用于除NMC之外的其他陰極材料。”
(責任編輯：子蕊)
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