【破解電池研發魔咒】科學家找到可同時提升電池能量密度、安全性、壽命的解方!

【我們為什麼挑選這篇文章】電池的鎳含量越高,電池的能量密度就會越高,但相對地,正極穩定性就會因此變差,安全的問題也隨之而來。在電池的性能中,能量密度、安全性、壽命三者有沒有可能互不相違抗,達到完美和諧的境界呢?美國能源部西北太平洋國家實驗室的團隊找出了解方。(責任編輯:賴佩萱)

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作者:量子位

多年來,電池行業一直在正極材料上做文章。不同的電動汽車用著不同材料的電池,比如磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池,目的都是讓電池能量密度大一些、安全性再高一些、壽命再長一些,然而三者卻往往是矛盾的。

但最近,美國能源部所屬的西北太平洋國家實驗室(PNNL)的華人研究團隊發現,魚和熊掌可以兼得。

他們使用高鎳含量的單晶材料作為負極,既增加了鋰電池容量,也提升了安全性、壽命。

與現在電動汽車中使用的鋰離子電池相比,單晶富鎳材料能多出 25% 的電池容量,可以製造能量密度 250 Wh/kg 的鋰電池。

這項鋰離子電池的重要研究工作,發表在今天的 Science 封面上。

和許多「紙上談兵」的論文不同,這項技術走出了實驗室: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。

鎳本身存在「容量」與「安全」的矛盾

鎳在鋰電池中起著重要的調控作用。除了磷酸鐵鋰電池,大部分鋰離子電池都含有鎳。比如電動汽車上常用的三元電池,它的化學式為 LiNixMnyCo1-x-yO2,一般 x=y=1/3。

PNNL 團隊製作的材料化學式為 LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2,他們將這種比例的材料稱為 NMC76。

鎳含量越高,電池的能量密度也就越高。若鎳含量超過 60%(x=0.6),電池可用容量會進一步增加,但是正極穩定性將變差,安全性問題也隨之而來。

主要原因是高鎳含量的材料對濕氣敏感,會導致充放電過程中有害副反應的發生,並且有氣體生成,從而降低電池的壽命和安全性。

NMC76 材料避免這些缺點的辦法就是製成單晶。

用「單晶」克服材料不可逆的損壞

鋰電池的正極材料為多晶形式,優點是充放電更快,但材料也會釋放到電解質中,導致電池不可逆的損壞。

使用單晶材料則可以減弱多晶材料的損壞。

多晶電池材料的晶體尺寸為奈米量級,PNNL 團隊製造的晶體尺寸則增大到了微米量級。

你可以把單晶和多晶想像成冰塊和碎冰碴,在重量相同的情況下,冰塊的融化速度更慢,更能抵抗高溫和其他外力破壞。

但是,材料放電過程會釋放鋰離子,會破壞晶體結構嗎?答案是肯定的,但是影響不大,因為材料具有一定的自我修復能力。

研究團隊發現富鎳單晶負極破裂的原因是由於晶體滑移造成的。

從上面的電子顯微鏡圖像(E 和 F)中可以看到,這種材料是一種多層的結構,因此它在釋放鋰離子過程中,不會像多晶材料那樣崩解,而是層之間相互滑動。

充電過程中,鋰離子的相互作用可以部分地逆轉滑移,當鋰離子在進入晶格時會在一個方向上產生應力,與鋰離子離開晶格時產生的應力方向相反。

這有些類似於撲克牌,每次充放電就相當於一個洗牌過程,每次洗牌都會導致牌之間稍有錯位,但是大致還是對齊的。

不過這種損壞還是無法避免,研究小組正在探索穩定晶格的方法。研究人員發現,在 4.2 伏特左右的通用充電電壓下,可最大程度地減少電極損壞。200 次充放電循環後,電池仍有 86.5% 的容量。

認識研究團隊

這項研究來自美國能源部 PNNL 實驗室的華人團隊,第一作者是 Yujing Bi 博士。

Yujing Bi 在中科院寧波材料技術與工程研究所獲得博士學位,2018 年進入 PNNL。

她 2008 年畢業於紐約州立大學賓漢姆頓分校,之後加入 PNNL,擔任博士後研究助理,目前是電池和材料系統的首席科學家兼小組負責人。她還是 Clarivate Analytics 統計的前 1% 的高引學者。

(本文經 量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈Science 封面:三元鋰電池安全性差、壽命短問題已解決,來自美國能源部華人團隊最新研究 〉;首圖來源:unsplash。)

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