美国能源部发明新阴极结构 可实现更持久安全的锂离子电池
时间:2022-09-11 17:48来源:盖世汽车 作者:刘丽婷
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据外媒报道，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的研究人员在MNC（镍锰钴氧化）阴极方面取得新进展，研发出用于阴极微尺寸颗粒的新结构，可以制造更持久、更安全的电池，从而能够超高电压下运行，并实现更长的续航里程。研究相关论文目前已发表于期刊《Nature Energy》。
图片来源：阿贡国家实验室
助理化学家Guiliang Xu表示：“当前的NMC阴极是高压操作的一大障碍。在充放电循环过程，由于阴极颗粒中形成裂纹，电池性能会迅速下降。几十年来，电池研究人员一直在寻找消除这些裂缝的方法。”
过去，研究人员采用由许多小型颗粒组成的微型球形颗粒解决裂缝问题。大的球形颗粒是多晶的，具有不同取向的结晶区域。但这些颗粒之间都存在晶界（科学家如此称之），会导致电池循环时破裂。为了防止破裂，Xu及其同事之前已经在每个粒子周围开发了一种保护性聚合物涂层，围绕着大球形颗粒和内部小型颗粒。
避免裂缝的另一种方法为单晶颗粒，因为电子显微镜表明单晶颗粒没有边界。但研究团队发现由涂层多晶和单晶制成的阴极在循环过程中仍会形成裂缝。因此，他们在美国能源部阿贡科学办公室用户设施的先进光子源（APS）和纳米材料中心（CNM）对这些阴极材料进行了广泛的分析。
在五个APS光束线（11-BM、20-BM、2-ID-D、11-ID-C和34-ID-E）上进行了不同的X射线分析。电子和X射线显微镜结果证明，科学家们认为的单晶实际上在内部也有边界。CNM的扫描和透射电子显微镜结果也证实了这一发现。
物理学家Wenjun Liu表示：“当我们观察这些粒子的表面形态时，它们看起来像单晶，但是当我们在APS使用一种同步加速器X射线衍射显微镜和其他技术的技术进行分析时，我们发现其内部隐藏有边界。”
重要的是，该团队开发出一种生产无边界单晶的方法。在超高电压下对具有这种单晶阴极的小型电池进行的测试表明，每单位体积的能量存储增加了25%，且在100次测试循环中几乎没有性能损失。相比之下，在相同的循环寿命内，由具有许多内部边界的单晶或具有涂层的多晶组成的NMC阴极的容量下降了60%至88%。
图片来源：阿贡国家实验室
原子级的计算揭示了阴极容量下降背后的机制。根据CNM的纳米科学家Maria Chan的说法，与远离边界的区域相比，边界更容易在电池充电时失去氧原子，而这种氧原子损失会导致电芯循环降解。
Chan表示：“我们的计算显示了边界如何导致高压下的氧气释放，从而导致性能下降。”
消除边界可防止氧原子释放，从而提高阴极的安全性和循环稳定性。APS的氧气释放测量和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源也证明了这一发现。
阿贡杰出研究员Khalil Amine表示：“凭借这一发现，电池制造商可以制备无边界且在高压下工作的阴极材料。不仅如此，该指南还适用于除NMC之外的其他阴极材料。”
(责任编辑：子蕊)
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