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

曉查 2020-12-11 13:13:50 來源：量子位

曉查 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

多年來，電池行業(yè)一直在陽極材料上做文章。

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(fā)現(xiàn)，魚和熊掌可以兼得。

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

與現(xiàn)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，可以制造能量密度250Wh/kg的鋰電池。

這項鋰離子電池的重要研究工作，發(fā)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(shù)走出了實驗室：

PNNL團隊已經(jīng)與最大的電動汽車鋰供應商Albemarle合作，并展示了這種材料千克量級的生產(chǎn)工藝。

△ 單晶富鎳電池材料

鎳：容量與安全的矛盾

鎳在鋰電池中起著重要的調(diào)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團隊制作的材料化學式為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，但是陽極穩(wěn)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(fā)生，并且有氣體生成，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制成單晶。

用單晶克服缺點

鋰電池的陽極材料為多晶形式，優(yōu)點是充放電更快，但材料也會釋放到電解質(zhì)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納米量級，為PNNL團隊制造的晶體尺寸增大到了微米量級。

你可以把單晶和多晶想象成冰塊和碎冰碴，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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)富鎳單晶陰極破裂的原因是由于晶體滑移造成的。

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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)滑移，當鋰離子在進入晶格時會在一個方向上產(chǎn)生應力，與鋰離子離開晶格時產(chǎn)生的應力方向相反。

這有些類似于撲克牌，每次充放電就相當于一個洗牌過程，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(wěn)定晶格的方法。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在4.2伏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(huán)后，電池仍有86.5%的容量。

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(shù)與工程研究所獲得博士學位，2018年進入PNNL。

她2008年畢業(yè)于紐約州立大學賓漢姆頓分校，之后加入PNNL，擔任博士后研究助理，目前是電池和材料系統(tǒng)的首席科學家兼小組負責人。她還是Clarivate Analytics統(tǒng)計的前1%的高引學者。

論文地址：
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313