美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種新型雙梯度陰極設(shè)計(jì)，可提高鋰離子電池的性能并降低其成本。有關(guān)雙梯度工作的論文發(fā)表在《自然能源》上。

下一代電池的正極需要更高的工作電壓(≥4.5V)，以實(shí)現(xiàn)高容量、長(zhǎng)循環(huán)性和耐熱性。目前的正極由于高電壓下的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)應(yīng)變而無(wú)法滿足這些要求，導(dǎo)致容量衰減很快。我們?cè)诖私榻B了一種具有連貫結(jié)構(gòu)的正極，其結(jié)構(gòu)范圍從有序到無(wú)序框架，具有濃度梯度和可控的 Ni 氧化活性，可以克服現(xiàn)有正極施加的電壓上限。這種設(shè)計(jì)可以在 4.5V 下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高容量和高電壓操作而不會(huì)出現(xiàn)容量衰減，在高達(dá) 4.7 V 的電壓下容量衰減幾乎可以忽略不計(jì)。

多尺度衍射和成像技術(shù)表明，無(wú)序表面在電化學(xué)和結(jié)構(gòu)上是不可破壞的，可防止表面寄生反應(yīng)和相變。從有序到無(wú)序的結(jié)構(gòu)一致性限制了晶格參數(shù)的變化，減輕了晶格應(yīng)變并增強(qiáng)了形態(tài)完整性。雙梯度設(shè)計(jì)還顯著提高了熱穩(wěn)定性，推動(dòng)了高性能陰極材料的進(jìn)步。

—劉等人

這一最新發(fā)現(xiàn)延續(xù)了阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室數(shù)十年來(lái)在電池研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和創(chuàng)新歷史。

2012 年，阿貢研究人員開發(fā)出一種新型陰極材料，大大提高了鋰離子電池的能量密度和耐用性，推動(dòng)了鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展。該團(tuán)隊(duì)對(duì)陰極顆粒中鎳、錳和鈷的成分進(jìn)行了微調(diào)，以最大程度地利用這些金屬的有益特性。

鎳可以增加能量密度，但也會(huì)使粒子表面反應(yīng)性過(guò)高。在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中，鎳濃度從粒子核心到表面逐漸降低，這被稱為成分梯度。這個(gè)想法是為了在高壓電池工作時(shí)最大限度地提高能量密度，并最大限度地降低反應(yīng)性。高能量密度使得生產(chǎn)更小、更低成本的電池成為可能。

阿貢設(shè)計(jì)已獲得專利，并授權(quán)給電池和材料制造商。盡管該設(shè)計(jì)取得了巨大成功，但阿貢團(tuán)隊(duì)最近仍開始探索進(jìn)一步改進(jìn)它的方法。

高壓操作往往會(huì)導(dǎo)致具有層狀有序結(jié)構(gòu)的陰極顆粒破裂并與電池的電解質(zhì)發(fā)生更多反應(yīng)。電解質(zhì)在電池的兩個(gè)電極之間移動(dòng)鋰離子，將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能。這會(huì)迅速降低陰極的性能，降低電池的容量和壽命，同時(shí)增加安全隱患。

該團(tuán)隊(duì)的解決方案是在其組成中添加另一個(gè)元素——梯度陰極設(shè)計(jì)。這涉及制造陰極顆粒，其中結(jié)構(gòu)逐漸從表面的無(wú)序材料過(guò)渡到核心的有序分層材料。

這些顆粒仍然具有鎳、錳和鈷的濃度梯度。主要區(qū)別在于表面富含鈷，而內(nèi)部幾乎不含鈷。

這種方法背后的理念是將不同成分和結(jié)構(gòu)的最佳方面結(jié)合到一個(gè)粒子中。無(wú)序的粒子表面將抑制開裂和反應(yīng)性，而有序的核心將最大限度地提高離子傳輸。這樣，陰極就可以在高電壓下工作時(shí)實(shí)現(xiàn)高容量和穩(wěn)定性。

該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列 X 射線、電子和成像實(shí)驗(yàn)，以表征靜止和運(yùn)行時(shí)的新陰極材料。這些測(cè)試共同評(píng)估了陰極、粒子和原子水平的材料。目的是提供成分、結(jié)構(gòu)和性能的全面圖像。這些分析是在阿貢的先進(jìn)光子源和納米材料中心以及美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家同步加速器光源 II 進(jìn)行的。這些都是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。

測(cè)試證實(shí)，該工藝成功生產(chǎn)出具有上述結(jié)構(gòu)和成分梯度的陰極粒子。重要的是，它們表明粒子在高壓操作期間保持結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定。

我們證明了無(wú)序粒子表面是不可破壞的，幾乎沒(méi)有反應(yīng)性或結(jié)構(gòu)應(yīng)變。

—劉同超，主要作者

雙梯度粒子比阿貢最初的設(shè)計(jì)更耐用。在對(duì)材料進(jìn)行 500 次充電和放電后，其存儲(chǔ)容量?jī)H損失了約 2%?；谶@一發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)該材料可以支持更長(zhǎng)的電池壽命。

該設(shè)計(jì)減少了陰極材料中鈷的總量。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)殁捠且环N稀缺且昂貴的材料，其開采會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。成分測(cè)量顯示，大部分鈷都在顆粒表面。顆粒內(nèi)部的鈷濃度不到 2%——低于原始設(shè)計(jì)的 10-20%。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了陰極的承受能力

耐熱。耐熱性對(duì)于確保高壓下的安全操作至關(guān)重要。

這項(xiàng)研究首次將成分和結(jié)構(gòu)梯度結(jié)合到單個(gè)陰極粒子中。它有望啟發(fā)新的陰極研究方向，將不同的結(jié)構(gòu)和成分整合在一起，以提高電池性能。

這種突破性材料代表了電池的全面改進(jìn)。它具有更高的存儲(chǔ)容量、強(qiáng)大的穩(wěn)定性和高電壓下的耐熱性以及更長(zhǎng)的使用壽命。其高能量密度使生產(chǎn)更小、更低成本的電池成為可能，支持電動(dòng)汽車和電網(wǎng)電池的廣泛采用。我們的專利設(shè)計(jì)和制造工藝已準(zhǔn)備好向行業(yè)授權(quán)。

— 阿貢杰出研究員、阿貢先進(jìn)電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人 Khalil Amine

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部車輛技術(shù)辦公室的支持。