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华人科学家出手:三元锂电池硬伤解决了

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多年来,电池行业一直在阳极材料上做文章。

不同的电动汽车用着不同材料的电池,比如磷酸铁锂电池三元锂电池。

目的都是让电池能量密度大一些、安全性再高一些、寿命再长一些,然而三者却往往是矛盾的。

但最近,美国能源部所属的西北太平洋国家实验室(PNNL)的华人研究团队发现,鱼和熊掌可以兼得。

他们使用高镍含量的单晶材料作为阴极,既增加了锂电池容量,也提升了安全性、寿命。

与现在电动汽车中使用的锂离子电池相比,单晶富镍材料能多出25%的电池容量,可以制造能量密度250Wh/kg的锂电池。

这项锂离子电池的重要研究工作,发表在今天的Science封面上。

和许多“纸上谈兵”的论文不同,这项技术走出了实验室:

PNNL团队已经与最大的电动汽车锂供应商Albemarle合作,并展示了这种材料千克量级的生产工艺。

镍在锂电池中起着重要的调控作用。

除了磷酸铁锂电池,大部分锂离子电池都含有镍。比如电动汽车上常用的三元电池,它的化学式为LiNixMnyCo1-x-yO2,一般x=y=1/3。

PNNL团队制作的材料化学式为LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2,他们将这种比例的材料称为NMC76。

镍含量越高,电池的能量密度也就越高。若镍含量超过60%(x=0.6),电池可用容量会进一步增加,但是阳极稳定性将变差,安全性问题也随之而来。

主要原因是高镍含量的材料对湿气敏感,会导致充放电过程中有害副反应的发生,并且有气体生成,从而降低电池的寿命和安全性。

NMC76材料避免这些缺点的办法就是制成单晶。

用单晶克服缺点

锂电池的阳极材料为多晶形式,优点是充放电更快,但材料也会释放到电解质中,导致电池不可逆的损坏。

使用单晶材料则可以减弱多晶材料的损坏。

多晶电池材料的晶体尺寸为纳米量级,为PNNL团队制造的晶体尺寸增大到了微米量级。

你可以把单晶和多晶想象成冰块和碎冰碴,在重量相同的情况下,冰块的融化速度更慢,更能抵抗高温和其他外力破坏。

但是,材料放电过程会释放锂离子,会破坏晶体结构吗?答案是肯定的,但是影响不大,因为材料具有一定的自我修复能力。

研究团队发现富镍单晶阴极破裂的原因是由于晶体滑移造成的。

从上面的电子显微镜图像(E和F)中可以看到,这种材料是一种多层的结构,因此它在释放锂离子过程中,不会像多晶材料那样崩解,而是层之间相互滑动。

充电过程中,锂离子的相互作用可以部分地逆转滑移,当锂离子在进入晶格时会在一个方向上产生应力,与锂离子离开晶格时产生的应力方向相反。

这有些类似于扑克牌,每次充放电就相当于一个洗牌过程,每次洗牌都会导致牌之间稍有错位,但是大致还是对齐的。

不过这种损坏还是无法避免,研究小组正在探索稳定晶格的方法。

研究人员发现,在4.2伏左右的通用充电电压下,可最大程度地减少电极损坏。200次充放电循环后,电池仍有86.5%的容量。

研究团队

这项研究来自美国能源部PNNL实验室的华人团队,第一作者是Yujing Bi博士。

Yujing Bi在中科院宁波材料技术与工程研究所获得博士学位,2018年进入PNNL。

她2008年毕业于纽约州立大学宾汉姆顿分校,之后加入PNNL,担任博士后研究助理,目前是电池和材料系统的首席科学家兼小组负责人。她还是Clarivate Analytics统计的前1%的高引学者。

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