超稳定层状氧化物阴极可提高电池性能
近期为开发更先进的电池技术而做出的努力主要集中在设计新型阴极材料上。这是因为现有阴极在高电压下性能不佳，并且可能导致电池容量快速损失。层状氧化物阴极是一类具有层状晶体结构的阴极材料，人们发现，这种材料在开发下一代电池方面特别有前景。初步研究结果表明，这些材料可以提高锂离子电池的性能，同时降低电池的制造成本并限制其对环境的影响。
阿贡国家实验室的研究人员最近设计了新型超稳定 NMC 阴极，这是一种由镍 (Ni)、锰 (Mn) 和钴 (Co) 组成的层状氧化物阴极。《自然能源》杂志的一篇论文介绍了这些新设计的材料，它们被发现可以在锂离子电池中实现高性能，而不会显著降低容量。
阿贡杰出研究员、论文主要作者 Khalil Amine 博士告诉 Tech Xplore：“为了进一步推进 NMC 阴极的发展，我们的团队开发了一系列浓度梯度 NMC 阴极，以最佳地利用 Ni、Mn 和 Co 的有益特性。”
“在这种浓度梯度阴极中，镍浓度呈线性下降，而锰浓度从每个粒子的中心到外层呈线性增加。”
这种全梯度阴极设计由 Amine 博士于 2012 年申请专利，充分利用了 Ni（阴极核心）的高能量密度以及阴极外层 Mn 的高热稳定性和长寿命。值得注意的是，这种设计已授权给各种电池技术和材料制造商。
“为了追求下一代电池更高的能量密度和更低的成本，我们对NMC正极施加了更高的电压操作（≥4.5 V）以实现高容量，这超过了传统层状结构的电压限制并导致快速的容量损失。”Amine博士说。
“此外，目前钴（Co）供应的瓶颈对商业电池生产产生了负面影响，并促使人们开发不太依赖钴的阴极材料。”
为了克服现有 NMC 阴极设计的局限性，Amine 博士和他的同事着手设计梯度阴极的第二个更新版本。第二代阴极的特点是浓度和结构相关的梯度，这共同解决了现有高电压层状结构阴极的缺点。
此外，研究人员还降低了阴极中钴的浓度。这种成分的改变可以显著降低阴极材料的制造成本及其对环境的影响。
“以前的层状阴极需要在容量、循环性和安全性之间做出权衡。例如，增加工作电压可以提高其容量，但会以牺牲循环寿命为代价，”Amine 博士解释说。“因此，电动汽车中使用的大多数电池只能在 4.3V 以下运行，因为固有结构在高电压下容易退化，从而缩短使用寿命并提高安全风险。”
本次研究引入的新型阴极具有独特的成分和双梯度设计，解决了其他现有阴极的电压上限问题。通过将不同成分和材料结构的优势结合到单个阴极中，该团队能够实现出色的性能。
“具体来说，高镍含量的块状层状结构能够提供高容量，而表面无序岩盐结构可以承受高达 4.7V 的高电压，而不会发生严重的结构变化，”该论文的共同作者刘同超博士说。
“因此，这种双梯度阴极在高电压（>4.5V）下工作时可以同时实现高容量和优异的循环寿命。此外，这种设计可以将钴的使用量减少高达 1%，并最大限度地发挥其功能并降低安全风险。”
研究人员新引入的材料不同于传统的阴极设计，后者通常采用单一结构和高钴浓度。在初步实验中，发现新阴极性能非常好，使电池在 4.5 V 下实现高容量和高电压运行，没有任何容量损失，并且在高达 4.7 V 的电压下运行时容量衰减可以忽略不计。
“通过将层状相的高能量密度与无序岩盐相的结构稳定性相结合，我们的设计解决了容量、循环寿命和安全性之间长期存在的权衡问题，”Amine 博士说。“这项创新不仅提高了阴极的整体性能，还拓宽了阴极材料设计的研究方向，从而可以创造出远远超越现有材料的新材料。”
这项最新研究成果为开发具有较低钴浓度的锂离子电池开辟了新的可能性，这种电池即使在高电压下工作也能在更长的时间内保持高容量。此外，Amine 博士及其同事推出的阴极可能很快就会启发其他研究团队设计具有双梯度结构的类似材料。
“我们研究的下一步将涉及进一步优化双梯度设计，以进一步减少钴和镍的使用，同时提高其能量密度和可扩展性，”Amine 博士说。“我们的目标是探索更多的材料成分和结构修改，以进一步突破能量密度和稳定性的界限。”
作为未来工作的一部分，研究人员还计划将阴极集成到完整的电池系统中，因为这将使他们能够测试其实际性能并评估其与现有电池组件的兼容性。为了进行这些测试，Amine 博士为他的更新设计申请了专利，并正在与电池制造商开展合作。
“从长远来看，我们设想我们的双梯度设计将激发新一代高性能、经济高效且可持续的电池材料，”刘博士补充道。“通过减少对钴的依赖并增强高压下阴极的结构完整性，我们的工作可能会对电动汽车、便携式电子产品和电网存储的下一代电池的开发产生重大影响。”
阿贡先进光子源和纳米材料中心（均属于美国能源部科学办公室用户设施的一部分）和布鲁克海文国家实验室利用 X 射线、电子和成像技术进行了一系列实验，以表征静止和运行时的新阴极材料。
这些测试从阴极、粒子和原子水平对材料进行了集体评估，并提供了其成分、结构和性能的全面图像。
更多信息： Tongchao Liu 等人，通过成分和结构双梯度设计实现超稳定阴极，《自然能源》（2024 年）。DOI ：10.1038/s41560-024-01605-8
期刊信息： 《自然能源》
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