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阿貢團隊開發出新型鋰離子陰極雙梯度設計

2024-11-05 15:01  瀏覽:  

美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室開發了一種新型雙梯度陰極設計,可提高鋰離子電池的性能并降低其成本。有關雙梯度工作的論文發表在《自然能源》上。

下一代電池的正極需要更高的工作電壓(≥4.5V),以實現高容量、長循環性和耐熱性。目前的正極由于高電壓下的結構和電化學應變而無法滿足這些要求,導致容量衰減很快。我們在此介紹了一種具有連貫結構的正極,其結構范圍從有序到無序框架,具有濃度梯度和可控的 Ni 氧化活性,可以克服現有正極施加的電壓上限。這種設計可以在 4.5V 下同時實現高容量和高電壓操作而不會出現容量衰減,在高達 4.7 V 的電壓下容量衰減幾乎可以忽略不計。

多尺度衍射和成像技術表明,無序表面在電化學和結構上是不可破壞的,可防止表面寄生反應和相變。從有序到無序的結構一致性限制了晶格參數的變化,減輕了晶格應變并增強了形態完整性。雙梯度設計還顯著提高了熱穩定性,推動了高性能陰極材料的進步。

—劉等人

這一最新發現延續了阿貢國家實驗室數十年來在電池研究領域的領導地位和創新歷史。

2012 年,阿貢研究人員開發出一種新型陰極材料,大大提高了鋰離子電池的能量密度和耐用性,推動了鋰離子電池技術的發展。該團隊對陰極顆粒中鎳、錳和鈷的成分進行了微調,以最大程度地利用這些金屬的有益特性。

鎳可以增加能量密度,但也會使粒子表面反應性過高。在阿貢國家實驗室的設計中,鎳濃度從粒子核心到表面逐漸降低,這被稱為成分梯度。這個想法是為了在高壓電池工作時最大限度地提高能量密度,并最大限度地降低反應性。高能量密度使得生產更小、更低成本的電池成為可能。

阿貢設計已獲得專利,并授權給電池和材料制造商。盡管該設計取得了巨大成功,但阿貢團隊最近仍開始探索進一步改進它的方法。

高壓操作往往會導致具有層狀有序結構的陰極顆粒破裂并與電池的電解質發生更多反應。電解質在電池的兩個電極之間移動鋰離子,將儲存的能量轉化為電能。這會迅速降低陰極的性能,降低電池的容量和壽命,同時增加安全隱患。

該團隊的解決方案是在其組成中添加另一個元素——梯度陰極設計。這涉及制造陰極顆粒,其中結構逐漸從表面的無序材料過渡到核心的有序分層材料。

這些顆粒仍然具有鎳、錳和鈷的濃度梯度。主要區別在于表面富含鈷,而內部幾乎不含鈷。

這種方法背后的理念是將不同成分和結構的最佳方面結合到一個粒子中。無序的粒子表面將抑制開裂和反應性,而有序的核心將最大限度地提高離子傳輸。這樣,陰極就可以在高電壓下工作時實現高容量和穩定性。

該團隊進行了一系列 X 射線、電子和成像實驗,以表征靜止和運行時的新陰極材料。這些測試共同評估了陰極、粒子和原子水平的材料。目的是提供成分、結構和性能的全面圖像。這些分析是在阿貢的先進光子源和納米材料中心以及美國能源部布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源 II 進行的。這些都是美國能源部科學辦公室的用戶設施。

測試證實,該工藝成功生產出具有上述結構和成分梯度的陰極粒子。重要的是,它們表明粒子在高壓操作期間保持結構和化學穩定。

我們證明了無序粒子表面是不可破壞的,幾乎沒有反應性或結構應變。

—劉同超,主要作者

雙梯度粒子比阿貢最初的設計更耐用。在對材料進行 500 次充電和放電后,其存儲容量僅損失了約 2%。基于這一發現,該團隊預計該材料可以支持更長的電池壽命。

該設計減少了陰極材料中鈷的總量。這一點很重要,因為鈷是一種稀缺且昂貴的材料,其開采會對環境產生不利影響。成分測量顯示,大部分鈷都在顆粒表面。顆粒內部的鈷濃度不到 2%——低于原始設計的 10-20%。

研究小組還發現,這種設計增強了陰極的承受能力

耐熱。耐熱性對于確保高壓下的安全操作至關重要。

這項研究首次將成分和結構梯度結合到單個陰極粒子中。它有望啟發新的陰極研究方向,將不同的結構和成分整合在一起,以提高電池性能。

這種突破性材料代表了電池的全面改進。它具有更高的存儲容量、強大的穩定性和高電壓下的耐熱性以及更長的使用壽命。其高能量密度使生產更小、更低成本的電池成為可能,支持電動汽車和電網電池的廣泛采用。我們的專利設計和制造工藝已準備好向行業授權。

— 阿貢杰出研究員、阿貢先進電池技術團隊負責人 Khalil Amine

這項研究得到了美國能源部車輛技術辦公室的支持。

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