解决有前景的正极材料性能下降之谜

第一代 锂离子电池 电动汽车是一个非凡的成功故事。 然而，问题出现了：电池材料的哪些变化将推动在延长行驶里程和降低成本方面取得进一步进展？

锂离子电池的最佳正极或负极一直是先前广泛研究的焦点。 正极是电池的主要部件之一。 许多候选正极材料有望使电池具有更高的储能容量，从而实现更长的行驶里程。 然而，由于未知的原因，在一定时间段内流动的电流的幅度或量往往会随着充电和放电周期而迅速减小。

“我们的方法对于理解当前锂离子电池以外的电池类型的故障机制也应该有用。” — 刘同超，助理化学师

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员发现了一种有前途的阴极材料在使用过程中劣化的原因和方式。 该材料是一种富含镍的单一形式的镍锰钴 (NMC) 氧化物。 纳米 晶体。 在单晶中，所有原子都以相同的高度有序的模式排列。

“富含镍的 NMC 特别有吸引力，因为它使用 70-80% 的镍，是一种高容量材料，并且需要的钴少得多，”副化学家 Tongchao Liu 说道。 钴价格昂贵，由于供应问题而被认为是一种重要的矿物。

通常，富镍 NMC 阴极由具有多种晶体形状或多晶体的颗粒组成，这些颗粒相对于彼此随机取向。 然而，随着充放电循环，这些聚集体在晶体之间的边界处破裂，并且正极容量迅速下降。

据推测，用单晶而不是多晶制造阴极可以解决裂纹问题，因为边界会被消除。 然而，即使是单晶阴极也会过早失效，让科学家们摸不着头脑。

为了揭示这一机制，该团队设计了一种结合多尺度 X 射线衍射和高分辨率电子显微镜的开创性方法。 这些材料的分析是在阿贡先进光子源 (APS)、美国能源部布鲁克海文国家实验室国家同步加速器光源和阿贡纳米材料中心 (CNM) 进行的。 这三个都是能源部科学办公室的用户设施。

CNM 材料科学家周涛说：“电子显微镜本身的问题在于它只能提供单晶上小区域的快照。” “虽然 X 射线衍射可以洞察许多颗粒的内部结构，但它缺乏表面信息。我们的方法弥补了这一差距，提供了 1 个、10 到 50 个和 1,000 个颗粒规模的全面了解。”

单晶中的原子排列成整齐排列的行和列，称为晶格。 该团队对单晶阴极的多方面分析提供了有关充电和放电时晶格变化的重要信息。

正如刘和周所解释的，引入电荷会对晶格施加压力，导致其拉伸和旋转，从而破坏原子的精细排列模式。 放电后，网格收缩回到其原始状态，但旋转仍然存在。 随着充电和放电循环的重复，旋转变得更加明显。 阴极结构的这种变化导致性能急剧下降。

获得这些见解的关键是使用由 CNM 和 APS 联合操作的 Nanoprobe 硬 X 射线探头进行测量。

阿贡国家实验室杰出研究员哈利勒·阿明 (Khalil Amin) 表示：“该团队的新方法有助于理解单晶富镍 NMC 阴极为何如此迅速失效这一紧迫问题。” “这一新的认识将为我们提供解决这一问题的弹药，并使低成本电动汽车具有更长的行驶里程。”

“我们的方法对于理解当前锂离子电池以外的电池类型的故障机制也应该有用，”刘补充道。

这项研究出现在 科学。 除刘、周和阿明外，作者还包括黄伟远、李宇、王静、刘军翔、李天一、拉希德·阿明、肖向伟、杰明远、马路、史蒂文·N·埃利希和马丁·费。 霍尔特和文建国。 。

这项工作得到了能源部能源效率和可再生能源办公室、车辆技术办公室的支持。

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