阿贡开发更稳定的富镍正极材料 以用于锂离子电池
目前电动汽车的电池中需要使用钴。这种金属的储量有限,而且成本较高。据外媒报道,为了找到不依赖钴的其他锂离子电池解决方案,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的研究人员参与了一项合作研究,以确定潜在的电池正极新材料。
【资料图】
(图片来源:阿贡实验室)
这种新型正极不含钴且稳定,在反复充放电时,不会出现裂纹等问题。
作为电池的构成部分,钴具有热稳定性,即使加热到更高的温度,也能正常工作,并提供结构稳定性。研究人员一直在寻找不同的材料,既具有同等优势,而不存在钴的缺陷。
在这项新研究中,由加州大学欧文分校(University of California, Irvine)负责的研究团队制造并分析了一种锂离子正极材料,这种材料不使用钴,而是富含镍。另外,这种正极的化学成分较复杂,含有少量其他金属(包括钼、铌和钛)。
该团队使用了先进光子源(APS)的资源,APS是美国能源部阿贡国家实验室的科学办公室用户设施。阿贡物理学家Wenqian Xu表示:“可以把构建正极想象成用不同种类的砖建造一座房子。使用不同形状和大小的砖,能够增强房子的稳定性。使用多种元素,有助于确保正极颗粒的完整性。”
研究人员想要研究这种新型正极的结构和热稳定性。其他富镍正极的耐热性通常较差,可能导致电池材料发生氧化和热失控,甚至是爆炸现象。此外,高镍正极可以容纳更大的容量,但由于反复扩张和收缩,体积变化很大,可能出现稳定性和安全方面的问题。
为了测试新电池,研究人员使其循环了一千多次。在这个过程中,正极材料的体积膨胀不到0.5%,大约是以前富镍正极的十分之一。之前的富镍正极都存在不同程度的稳定性问题。阿贡物理学家Tianyi Li表示:“保持正极体积的一致性,是确保其稳定性的关键。”
这种新型正极材料名为HE-LMNO。为了表征其耐热性,加州大学欧文分校的研究人员使用APS的光束线11-ID-C,以检查高温下材料会发生什么。之前的高镍正极在高温下会出现严重的纳米裂纹。与之不同,LHE-LMNO经历了相变,能够继续运行并保持容量。HE-LMNO中的HE代表高熵(指合金中含有大量不同的元素)。
加州大学欧文分校的Huolin Xin表示,“研究结果表明,高熵效应可以转移到更广泛类别的化合物上,这些化合物是构成新电池材料的基础。”
对于新的电池正极设计,这项研究提出的方法有助于减少下一代锂离子电池对钴的依赖。Xu表示:“研究人员还没有发现新的电池。通过在结构中混合不同的过渡金属,可能会看到更多有趣的正极选项电池。”
为了制造实验所需的电极,研究人员使用了阿贡的电芯分析、建模和原型(CAMP)设施。阿贡电池研究人员Steve Trask表示:“这种方法能够提供基准电极,并使用试点规模设备验证有前景的化学物质,对评估先进材料具有重要意义。”
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