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美國(guó)能源部發(fā)明新陰極結(jié)構(gòu) 可實(shí)現(xiàn)更持久安全的鋰離子電池

時(shí)間:2022-09-11 17:48來(lái)源:蓋世汽車作者:劉麗婷

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據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的研究人員在MNC（鎳錳鈷氧化）陰極方面取得新進(jìn)展，研發(fā)出用于陰極微尺寸顆粒的新結(jié)構(gòu)，可以制造更持久、更安全的電池，從而能夠超高電壓下運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程。研究相關(guān)論文目前已發(fā)表于期刊《Nature Energy》。

圖片來(lái)源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

助理化學(xué)家Guiliang Xu表示：“當(dāng)前的NMC陰極是高壓操作的一大障礙。在充放電循環(huán)過(guò)程，由于陰極顆粒中形成裂紋，電池性能會(huì)迅速下降。幾十年來(lái)，電池研究人員一直在尋找消除這些裂縫的方法。”

過(guò)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(jié)晶區(qū)域。但這些顆粒之間都存在晶界（科學(xué)家如此稱之），會(huì)導(dǎo)致電池循環(huán)時(shí)破裂。為了防止破裂，Xu及其同事之前已經(jīng)在每個(gè)粒子周圍開發(fā)了一種保護(hù)性聚合物涂層，圍繞著大球形顆粒和內(nèi)部小型顆粒。

避免裂縫的另一種方法為單晶顆粒，因?yàn)殡娮语@微鏡表明單晶顆粒沒有邊界。但研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由涂層多晶和單晶制成的陰極在循環(huán)過(guò)程中仍會(huì)形成裂縫。因此，他們?cè)诿绹?guó)能源部阿貢科學(xué)辦公室用戶設(shè)施的先進(jìn)光子源（APS）和納米材料中心（CNM）對(duì)這些陰極材料進(jìn)行了廣泛的分析。

在五個(gè)APS光束線（11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C和34-ID-E）上進(jìn)行了不同的X射線分析。電子和X射線顯微鏡結(jié)果證明，科學(xué)家們認(rèn)為的單晶實(shí)際上在內(nèi)部也有邊界。CNM的掃描和透射電子顯微鏡結(jié)果也證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。

物理學(xué)家Wenjun Liu表示：“當(dāng)我們觀察這些粒子的表面形態(tài)時(shí)，它們看起來(lái)像單晶，但是當(dāng)我們?cè)贏PS使用一種同步加速器X射線衍射顯微鏡和其他技術(shù)的技術(shù)進(jìn)行分析時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部隱藏有邊界。”

重要的是，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種生產(chǎn)無(wú)邊界單晶的方法。在超高電壓下對(duì)具有這種單晶陰極的小型電池進(jìn)行的測(cè)試表明，每單位體積的能量存儲(chǔ)增加了25%，且在100次測(cè)試循環(huán)中幾乎沒有性能損失。相比之下，在相同的循環(huán)壽命內(nèi)，由具有許多內(nèi)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(lái)源：阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

原子級(jí)的計(jì)算揭示了陰極容量下降背后的機(jī)制。根據(jù)CNM的納米科學(xué)家Maria Chan的說(shuō)法，與遠(yuǎn)離邊界的區(qū)域相比，邊界更容易在電池充電時(shí)失去氧原子，而這種氧原子損失會(huì)導(dǎo)致電芯循環(huán)降解。

Chan表示：“我們的計(jì)算顯示了邊界如何導(dǎo)致高壓下的氧氣釋放，從而導(dǎo)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(huán)穩(wěn)定性。APS的氧氣釋放測(cè)量和美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源也證明了這一發(fā)現(xiàn)。

阿貢杰出研究員Khalil Amine表示：“憑借這一發(fā)現(xiàn)，電池制造商可以制備無(wú)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(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：鋰離子電池陰極結(jié)構(gòu)

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