Credit:pix abay/CC0 Public Domain在20世纪70年代末，M. Stanley Whittingham第一个描述了可充电锂离子电池的概念，为此他将分享2019年诺贝尔化学奖。然而，即使是他也无法预料到，随着这些电池为世界便携式电子设备提供动力，复杂的材料科学挑战将会出现。一个持续存在的技术问题是，每次在设备中安装新的锂离子电池，在设备第一次充电之前，最多会损失大约五分之一的能量。无论电池是安装在笔记本电脑、相机、手表，还是新的电动汽车上，都是如此。
原因是在富镍阴极上形成的杂质，富镍阴极是电池的正极(+)侧，储存的能量通过它释放。
为了找到保留失去的能力的方法，惠廷翰领导了一组研究人员，其中包括他在纽约州立大学宾汉姆顿分校(SUNY·宾汉姆顿)的同事，以及能源部布鲁克海文(BNL)和橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家。该团队使用x射线和中子来测试用不含锂的氧化铌处理主要的阴极材料——一种叫做NMC 811的镍锰钴层状材料——是否会使电池寿命更长。
研究结果“铌在锂离子电池富镍层状氧化物阴极中的作用是什么？”出现在ACS能源快报上。
“我们在层状氧化物阴极材料上测试了NMC 811，此前我们预测不含锂的氧化铌将在表面形成纳米尺寸的锂铌氧化物涂层，该涂层将传导锂离子并允许它们渗透到阴极材料中，”惠廷汉姆说，他现在是SUNY杰出的教授，也是SUNY·宾汉姆顿领导的能源部能源前沿研究中心东北化学能源存储中心的主任。
锂电池的阴极由锂和富镍氧化物材料(含有至少一个氧氮原子的化合物)的交替层制成，因为镍相对便宜，有助于以比其他金属更低的成本提供更高的能量密度和更大的存储容量。
但是阴极中的镍相对不稳定，因此容易与其他元素发生反应，使阴极表面被不希望的杂质覆盖，从而在电池的第一个充放电周期中降低电池的存储容量10-18%。镍还会导致阴极结构内部的不稳定性，这进一步降低了长时间充放电的存储容量。
为了了解铌如何影响富镍阴极材料，科学家们在ORNL散裂中子源的瓦肯工程材料衍射仪上进行了中子粉末衍射研究。他们测量了纯NMC 811和铌改性样品的中子衍射图。
NECCES的电池设备经理周惠说:“中子很容易穿透阴极材料，揭示铌和锂原子的位置，这有助于更好地理解铌改性过程的工作原理。“中子散射数据表明，铌原子稳定了表面以减少第一次循环损失，而在更高的温度下，铌原子将一些锰原子置换到阴极材料内部更深处，以提高长期容量保持能力。”
实验结果表明，在250次充放电循环中，首次循环容量损失减少，长期容量保持率提高了93%以上。
“电化学性能和结构稳定性的改善使铌改性的NMC 811成为用于更高能量密度应用的阴极材料的候选材料，例如电动汽车，”惠廷翰说。“将铌涂层与用铌原子代替锰原子相结合，可能是提高初始容量和长期容量保持力的更好方法。使用目前NMC材料的多步骤制造工艺，可以很容易地扩大这些修改。”
惠廷厄姆补充说，这项研究支持Battery500联盟的目标，battery 500联盟是一个多机构项目，由能源部能源效率和可再生能源办公室太平洋西北国家实验室领导。p rogram正致力于开发下一代锂金属电池，每公斤可提供高达500瓦小时的电能，而目前的平均水平约为每公斤220瓦小时。
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