美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室開發(fā)了一種新型雙梯度陰極設(shè)計，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》上怕猖。

下一代電池的正極需要更高的工作電壓(≥4.5V)诅枚，以實現(xiàn)高容量、長循環(huán)性和耐熱性侧焚。目前的正極由于高電壓下的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)應(yīng)變而無法滿足這些要求锭偿，導(dǎo)致容量衰減很快。我們在此介紹了一種具有連貫結(jié)構(gòu)的正極摆地，其結(jié)構(gòu)范圍從有序到無序框架挂剪，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)計可以在 4.5V 下同時實現(xiàn)高容量和高電壓操作而不會出現(xiàn)容量衰減她打，在高達(dá) 4.7 V 的電壓下容量衰減幾乎可以忽略不計狰碟。

多尺度衍射和成像技術(shù)表明，無序表面在電化學(xué)和結(jié)構(gòu)上是不可破壞的栽埠，可防止表面寄生反應(yīng)和相變钉呐。從有序到無序的結(jié)構(gòu)一致性限制了晶格參數(shù)的變化，減輕了晶格應(yīng)變并增強了形態(tài)完整性镶骗。雙梯度設(shè)計還顯著提高了熱穩(wěn)定性桶现，推動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)了阿貢國家實驗室數(shù)十年來在電池研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和創(chuàng)新歷史鼎姊。

2012 年骡和，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相寇，推動了鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展慰于。該團(tuán)隊對陰極顆粒中鎳、錳和鈷的成分進(jìn)行了微調(diào)裆赵，以最大程度地利用這些金屬的有益特性东囚。

鎳可以增加能量密度，但也會使粒子表面反應(yīng)性過高战授。在阿貢國家實驗室的設(shè)計中页藻，鎳濃度從粒子核心到表面逐漸降低，這被稱為成分梯度植兰。這個想法是為了在高壓電池工作時最大限度地提高能量密度份帐，并最大限度地降低反應(yīng)性。高能量密度使得生產(chǎn)更小楣导、更低成本的電池成為可能捎霍。

阿貢設(shè)計已獲得專利，并授權(quán)給電池和材料制造商漏匿。盡管該設(shè)計取得了巨大成功缨吸，但阿貢團(tuán)隊最近仍開始探索進(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)衅洞。電解質(zhì)在電池的兩個電極之間移動鋰離子源照，將儲存的能量轉(zhuǎn)化為電能。這會迅速降低陰極的性能流肢，降低電池的容量和壽命锁销，同時增加安全隱患。

該團(tuán)隊的解決方案是在其組成中添加另一個元素——梯度陰極設(shè)計期位。這涉及制造陰極顆粒赦牧，其中結(jié)構(gòu)逐漸從表面的無序材料過渡到核心的有序分層材料巧糖。

這些顆粒仍然具有鎳、錳和鈷的濃度梯度胳瑟。主要區(qū)別在于表面富含鈷蜻蒋，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)合到一個粒子中钻蔑。無序的粒子表面將抑制開裂和反應(yīng)性啥刻，而有序的核心將最大限度地提高離子傳輸。這樣咪笑，陰極就可以在高電壓下工作時實現(xiàn)高容量和穩(wěn)定性可帽。

該團(tuán)隊進(jìn)行了一系列 X 射線、電子和成像實驗窗怒，以表征靜止和運行時的新陰極材料映跟。這些測試共同評估了陰極、粒子和原子水平的材料扬虚。目的是提供成分努隙、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能源部布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源 II 進(jìn)行的辜昵。這些都是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施荸镊。

測試證實，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堪置。重要的是躬存，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。

我們證明了無序粒子表面是不可破壞的攒陋，幾乎沒有反應(yīng)性或結(jié)構(gòu)應(yīng)變灶花。

—劉同超，主要作者

雙梯度粒子比阿貢最初的設(shè)計更耐用筒煌。在對材料進(jìn)行 500 次充電和放電后艰吏，其存儲容量僅損失了約 2%」白冢基于這一發(fā)現(xiàn)涣累，該團(tuán)隊預(yù)計該材料可以支持更長的電池壽命。

該設(shè)計減少了陰極材料中鈷的總量菜盒。這一點很重要妖局，因為鈷是一種稀缺且昂貴的材料，其開采會對環(huán)境產(chǎn)生不利影響赶馍。成分測量顯示，大部分鈷都在顆粒表面翼袒。顆粒內(nèi)部的鈷濃度不到 2%——低于原始設(shè)計的 10-20%摘甜。

研究小組還發(fā)現(xiàn)屯掖，這種設(shè)計增強了陰極的承受能力

耐熱。耐熱性對于確保高壓下的安全操作至關(guān)重要襟衰。

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

這種突破性材料代表了電池的全面改進(jìn)。它具有更高的存儲容量苔悦、強大的穩(wěn)定性和高電壓下的耐熱性以及更長的使用壽命轩褐。其高能量密度使生產(chǎn)更小、更低成本的電池成為可能玖详，支持電動汽車和電網(wǎng)電池的廣泛采用把介。我們的專利設(shè)計和制造工藝已準(zhǔn)備好向行業(yè)授權(quán)。

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

這項研究得到了美國能源部車輛技術(shù)辦公室的支持拗踢。