太平洋西北国家实验室 由PNNL团队创造的富含镍的单晶
信用:PNNL 主要电池制造商正在开发的一项有前途的技术变得更加有吸引力，这要归功于研究人员前所未有地审视了更好、更持久的锂离子电池的一个关键障碍
美国科学家
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能源部西北太平洋国家实验室报告了关于如何使单晶、富镍阴极更坚硬、更高效的新发现
该团队在阴极方面的工作发表在12月号，阴极是当今电动汽车中常见的锂离子电池的一个关键部件
11期《科学》杂志
全球的研究人员都在致力于制造能提供更多能量、寿命更长、生产成本更低的电池
改进的锂离子电池对电动汽车的广泛应用至关重要
挑战很多
电池简单的外观掩盖了它的复杂性，控制电池内部复杂的分子相互作用对电池正常工作至关重要
持续的化学反应会造成损害，限制电池的寿命，影响电池的尺寸、成本和其他因素
富镍阴极的前景:更大的能量容量 科学家们正在研究通过增加镍含量来在阴极材料中储存更多能量的方法
与钴等其他关键电池材料相比，镍因其相对较低的成本、广泛的可获得性和低毒性而成为锂离子电池制造商的首选
“富含镍的阴极材料有储存更多能量的真正潜力，”该论文的相应作者、PNNL电池研究项目组组长肖杰说
“但大规模部署一直是一项挑战
" 虽然镍很有前景，但是含量高的话会给电池带来问题
材料晶格中的镍越多，阴极越不稳定
高镍含量会增加不必要的副反应，损坏材料，使储存和处理变得非常困难
开发更多镍的所有好处，同时尽量减少缺点，这是一个挑战
目前最常见的富镍阴极是多晶形式——许多纳米晶聚集在一个较大的颗粒中
这些有利于更快地储存和释放能量
但是多晶有时会在重复循环过程中分解
这会使大部分表面暴露在电解液中，加速高镍含量引起的不必要的化学反应并产生气体
这种不可逆的损坏导致电池的富镍阴极失效更快，并引起安全问题
一批富含镍的晶体
信用:安德里亚·斯塔尔|太平洋西北国家实验室 单晶、冰块和锂离子电池 肖等科学家正试图通过制造一种单晶、富镍阴极来回避这些问题
PNNL的研究人员开发了一种在高温熔融盐——氯化钠，普通食盐——中生长高性能晶体的方法
单晶与多晶材料相比有什么优势？想到露营时保持食物凉爽
一块固体冰块比同样数量的冰块融化得慢得多。冰块更能抵抗高温和其他外力的破坏
这与富镍阴极类似:在某些条件下，小晶体的集合体比单晶更容易受到周围环境的影响，特别是当镍含量高时，因为镍容易引起不必要的化学反应
随着时间的推移，随着反复的电池循环，聚集体最终被粉碎，破坏了阴极的结构
当阴极中镍的含量较低时，这并不是什么大问题；在这种条件下，含镍的多晶阴极提供高功率和稳定性
然而，当科学家制造出镍含量更高的阴极——一种真正富含镍的阴极时，这个问题就变得更加突出了
阴极微裂纹是可逆的，可预防的 PNNL团队发现了单晶富镍阴极破裂的一个原因:这是由于一种被称为晶体滑动的过程，晶体开始分裂，导致微裂纹
他们发现滑行在某些条件下是部分可逆的，并提出了完全避免损坏的方法
“有了新的基本认识，我们将能够防止单晶中的滑动和微裂纹
这与多晶形式的损伤不同，在多晶形式中，粒子在不可逆的过程中被粉碎，”肖说
原来，晶体晶格层内的滑动运动是微裂纹的根源
这些层来回移动，就像一副牌在洗牌时一样
这种滑动发生在电池充电和放电时——锂离子离开并返回阴极，每次都会使晶体变得非常轻微
经过多次循环，反复滑动会产生微裂纹
肖的团队了解到，这个过程可以通过锂原子的自然作用部分逆转，当离子进入晶格时，锂原子在一个方向产生应力，当离子离开晶格时，在相反的方向产生应力
但是这两种作用不会完全相互抵消，随着时间的推移，会出现微裂纹
这就是为什么单晶最终会失败，尽管它们不会像多晶一样分解成小颗粒
该队正在采取几种策略来防止滑翔
研究人员发现，在普通电压下操作电池——大约4
2伏—在电动汽车用锂离子电池的正常范围内，将损坏降至最低
该团队还预测，保持单晶的尺寸低于3
即使在较高的电压下，5微米也可以避免损坏
该团队正在探索稳定晶格的方法，以更好地适应锂离子的到达和离开
该团队估计，与当今电动汽车中使用的锂离子电池相比，这种富含镍的单晶阴极至少多储存了25%的能量
现在，由肖领导的研究人员正在与阿尔伯马尔公司合作。阿尔伯马尔公司是一家主要的特种化学品制造公司，也是全球领先的电动汽车电池用锂生产商之一
在美国能源部资助的一项合作中，该团队将通过以千克为单位演示这一过程，研究先进锂盐对单晶富镍阴极材料性能的影响
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