富鎳單晶陰極來了！鋰電池重磅突破登《科學》封面：同時兼顧能量、壽命、安全性

世界各地的研究人員都在努力製造能量更多、壽命更長、生產成本更低的電池。改進的鋰離子電池對於電動車的廣泛應用至關重要，而電池陰極是常見的鋰離子電池中的一個關鍵部件。

美國能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的科學家報告了如何使單晶、富含鎳的陰極更堅固、更高效的新發現。通過使用高鎳含量的單晶材料作為陰極，他們實現了這些性能「兼得」的效果。該小組的研究成果以「Reversible planar gliding and microcracking in a single-crystalline Ni-rich cathode」為題，最新發表在12月11日的《科學》雜誌上。

據悉，PNNL團隊已經與最大的電動汽車鋰供應商Albemarle合作，並展示了這種材料千克量級的生產工藝。

電池的簡單外表掩蓋了它的複雜性，而控制內部複雜的分子相互作用對設備正常運行至關重要。持續不斷的化學反應會對電池造成傷害，它會限制電池的使用時間，影響電池的大小、成本和其他因素。

富鎳陰極的前景：容量與安全的矛盾

科學家們正在研究通過增加鎳的含量來在陰極材料中存儲更多能量的方法。鋰離子電池製造商之所以將鎳列入設計階段，主要是因為與鈷等其他關鍵電池材料相比，鎳的成本相對較低、容易獲得且毒性較低。

該論文的通訊作者、PNNL電池研究項目組長Jie Xiao表示:「富含鎳的正極材料具有儲存更多能量的真正潛力。」「但大規模部署一直是一個挑戰。」

雖然鎳很有前景，但含量過高會給電池帶來問題。材料晶格中的鎳越多，陰極的穩定性就越差。高鎳含量會增加不必要的副反應，破壞材料，使儲存和處理非常困難。

開發更多鎳帶來的所有好處，同時將缺點最小化，這是一個挑戰。

目前，最常見的富鎳陰極是以多晶體的形式出現的——即許多納米晶體在一個更大的粒子中的聚集體。這些具有儲存和釋放能量更快的優點。但在反覆循環過程中，多晶體有時會分解。這可能會使大部分表面積暴露在電解液中，加速由高鎳含量引起的不必要的化學反應，併產生氣體。這種不可逆的損害會導致電池的陰極鎳含量高，電池會更快失效，並引發安全問題。

單晶體、固態透明的鋰離子電池

Jie Xiao等科學家正試圖通過製造一種富含鎳的單晶陰極來避開這些問題。PNNL的研究人員開發了一種在熔融鹽(氯化鈉，普通食鹽)中在高溫下生長高性能晶體的方法。

與多晶材料相比，單晶材料的優點是什麼？想想你的食物在露營時保持涼爽。一塊固態的冰比同等數量的小冰塊融化得慢得多；冰塊更能抵抗高溫和其他外力的破壞。

這與富含鎳的陰極類似：在某些條件下，一堆小晶體比單晶更容易受到周圍環境的傷害，特別是在鎳含量高的情況下，因為鎳容易引起不必要的化學反應。

隨著時間的推移，隨著電池的反覆循環，這些聚集物最終會粉碎，破壞陰極的結構。當陰極中的鎳含量較低時，這並不是什麼大問題；在這種條件下，含有鎳的多晶硅陰極提供高功率和穩定性。然而，當科學家們製造出含有更多鎳的陰極——一種真正富含鎳的陰極時，這個問題變得更加明顯。

陰極微裂紋可逆、可預防

PNNL團隊發現了一個富含鎳的單晶陰極斷裂的原因：是由於一個被稱為晶體滑動的過程，即晶體開始斷裂，導致微裂紋。他們發現在某些情況下滑翔是部分可逆的，並提出了避免損害的方法。

「有了新的基本認識，我們將能夠防止單晶的滑動和微裂紋。這不同於多晶硅的破壞，後者的顆粒在一個不可逆的過程中被粉碎。」Jie Xiao說。

事實證明，晶體晶格層內的滑動運動是微裂紋的根源。這些層來回移動，就像洗牌一樣。滑動發生在電池充電和放電時——鋰離子離開並返回陰極，每一次輕微地扭曲晶體。在許多周期內，反覆滑動導致微裂縫。

Jie Xiao的團隊了解到，這一過程可以通過鋰原子的自然作用部分逆轉，當離子進入晶格時，鋰原子在一個方向產生壓力，當離子離開晶格時，鋰原子在另一個方向產生壓力。但這兩種行為並不能完全抵消對方的影響，隨著時間的推移，微裂紋就會發生。這就是單晶最終失敗的原因，儘管它們不會像多晶那樣分解成小顆粒。

這支團隊正在採取幾種策略來防止這種『離面"現象。研究人員發現，在普通電壓(約4.2伏特)下運行電池，在仍處於電動汽車鋰離子電池正常工作範圍內的情況下，可以將損壞降到最低。該小組還預測，將單晶的尺寸保持在3.5微米以下，即使在較高的電壓下也可以避免損壞。該團隊正在探索穩定晶格的方法，以更好地適應鋰離子的接觸和離面。

研究小組估計，與目前電動車中使用的鋰離子電池相比，這種富含鎳的單晶陰極至少要多消耗25%的能量。

現在，由Jie Xiao領導的太平洋國家實驗室的研究人員正在與Albemarle公司合作。Albemarle公司是一家主要的特種化學品製造公司，也是全球電動車電池鋰的主要生產商之一。在能源部資助的一項合作中，研究小組將通過演示千克級的過程來研究高級鋰鹽對富含鎳的單晶陰極材料性能的影響。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

原文來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2020/12/201210145750.htm

https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313

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