延长电池寿命的关键是什么？工程师们解开了几十年的锂离子之谜

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员已经确定了LiNiO₂电池退化的原因，并开发了一种结构加固方法，可以使其在更持久的锂离子电池中得到商业应用。

锂镍氧化物（LiNiO₂）是具有较长寿命的下一代锂离子电池的理想材料。然而，它的商业化一直受到反复充电循环后降解的阻碍。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员已经确定了这种故障的原因，并正在测试一种解决方案，以克服其广泛使用的主要障碍。他们的研究结果最近发表在《先进能源材料》杂志上。

该团队的目标是首先在实验室生产LiNiO 2电池，最终与行业合作伙伴合作，将该技术推向市场。

Erik Jonsson工程与计算机科学学院材料科学与工程教授、电池与能源促进商业化和国家安全（BEACONS）项目主任Kyeongjae Cho博士说：“几十年来，使用LiNiO2制造的电池的退化一直是一个问题，但原因尚不清楚。”“现在我们已经清楚地了解了这种情况发生的原因，我们正在研究一种解决方案，以便该技术可以用于手机和电动汽车等一系列产品，提供更长的电池寿命。”

该研究是UTD的BEACONS计划的一个项目，该计划于2023年启动，由国防部提供3000万美元。BEACONS的使命是开发和商业化新的电池技术和制造工艺；加强国内关键原材料的供应；并为不断扩大的电池储能工作队伍培训高素质的工人。

电池击穿的计算分析

为了确定为什么LiNiO2电池在充电的最后阶段会损坏，达拉斯大学的研究人员使用计算模型分析了这一过程。这项研究包括在原子水平上理解化学反应和电子在材料中的再分配。

在锂离子电池中，电流从称为阴极（正极）的导体流入阳极（负极）。阳极通常由碳石墨制成，它能使锂保持更高的电位。

在放电过程中，锂离子通过电解质返回阴极，并将电子发送回含锂的阴极，这是一种产生电力的电化学反应。阴极通常由包括钴在内的多种材料制成，钴是一种稀缺材料，科学家们希望用包括锂镍氧化物在内的替代品来取代钴。

UTD的研究人员发现，LiNiO2中涉及氧原子的化学反应会导致材料变得不稳定并破裂。为了解决这个问题，他们开发了一种理论上的解决方案，通过添加带正电的离子或阳离子来改变材料的特性，形成“柱子”来增强阴极。

材料科学与工程博士生、该研究的第一作者Matthew Bergschneider已经建立了一个基于机器人的实验室来制造电池原型，以探索设计的柱状LiNiO2阴极的高通量合成工艺。机器人的特征将有助于材料的合成、评估和表征。

“我们一开始会制造少量，然后改进工艺，”Bergschneider说，他是尤金·麦克德莫特的研究生。“然后，我们将扩大材料合成的规模，并在BEACONS工厂每周生产数百个电池。这些都是商业化的垫脚石。”

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