1970 年代后期,M. Stanley Whittingham 描述了可充电锂离子电池的概念,他将因此分享 2019 年诺贝尔化学奖。然而,即使是他也无法预料到随着这些电池为世界便携式电子设备提供动力而出现的复杂材料科学挑战。


一个长期存在的技术问题是,每次在设备中安装新的锂离子电池时,在设备第一次充电之前,其能量容量就会损失约五分之一。无论电池是安装在笔记本电脑、相机、手表中,还是安装在新的电动汽车中,都是如此。

解决了40年的难题:铌原子可提高锂离子电池长期容量保持率

原因是富镍阴极上形成的杂质 - 电池的正极 (+) 侧,通过它释放存储的能量。


为了找到一种保留损失容量的方法,Whittingham 领导了一组研究人员,其中包括他来自纽约州立大学宾厄姆顿分校 (SUNY Binghamton) 的同事以及能源部 (DOE) 布鲁克海文 (BNL) 和橡树岭分校的科学家国家实验室(ORNL)。该团队使用 X 射线和中子来测试用不含锂的铌氧化物处理领先的阴极材料,一种称为 NMC 811 的层状镍锰钴材料——是否会导致电池寿命更长。


研究结果“What is the Role of Nb in Nickel-Rich Layered Oxide Cathodes for Lithium-Ion Batteries” 出现在 ACS 能源快报中。


在预测无锂铌氧化物会在表面形成纳米级锂铌氧化物涂层后,我们在层状氧化物阴极材料上测试了 NMC 811,该涂层会传导锂离子并允许它们渗透到阴极材料中,Whittingham 说,他现在是纽约州立大学杰出教授兼东北化学储能中心 (NECCES) 主任,该中心是由纽约州立大学宾厄姆顿分校领导的能源前沿研究中心。


锂电池的阴极由富含锂和镍的氧化物材料(至少含有一个氧原子的化合物)交替层制成,因为镍相对便宜,并且有助于以比其他金属更低的成本提供更高的能量密度和更大的存储容量。


但是阴极中的镍相对不稳定,因此很容易与其他元素发生反应,使阴极表面被不希望有的杂质覆盖,在第一次充放电循环期间,电池的存储容量会降低 10-18%。镍还会导致阴极结构内部的不稳定性,这会进一步降低充电和放电时间延长的存储容量。


为了了解铌如何影响富镍阴极材料,科学家们在 ORNL 散裂中子源 (SNS) 的 VULCAN 工程材料衍射仪上进行了中子粉末衍射研究。他们测量了纯 NMC 811 和铌改性样品的中子衍射图。

解决了40年的难题:铌原子可提高锂离子电池长期容量保持率

NECCES电池设施经理Hui Zhou说,中子很容易穿透阴极材料,以揭示铌和锂原子的位置,这有助于更好地了解铌改性过程的工作原理。中子散射数据表明铌原子稳定表面以减少第一次循环损失,而在较高温度下,铌原子取代阴极材料内部更深处的一些锰原子,以提高长期容量保持率。


实验结果表明,在 250 次充放电循环中,首次循环容量损失减少,长期容量保持率提高了 93% 以上。


电化学性能和结构稳定性方面的改进使铌改性的 NMC 811 成为用于更高能量密度应用(如电动汽车)的阴极材料的候选材料,Whittingham 说,将铌涂层与用铌原子替代锰原子相结合可能是提高初始容量和长期容量保持率的更好方法。使用目前的 NMC 材料多步制造工艺可以轻松扩大这些修改的规模。


Whittingham 补充说,这项研究支持 Battery500 联盟的目标,这是一个由能源部太平洋西北国家实验室为能源效率和可再生能源办公室领导的多机构计划。该计划致力于开发每公斤可提供高达 500 瓦时的下一代锂金属电池,而目前的平均每公斤约为 220 瓦时。


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