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重大突破!三元锂电池安全性差、寿命短问题已解决

来源:汽车材料网|

发表时间:2020-12-18

点击:6383

文章来源:量子位


多年来,电池行业一直在阳极材料上做文章。不同的电动汽车用着不同材料的电池,比如磷酸铁锂电池、三元锂电池。目的都是让电池能量密度大一些、安全性再高一些、寿命再长一些,然而三者却往往是矛盾的。但最近,美国能源部所属的西北太平洋国家实验室(PNNL)的华人研究团队发现,鱼和熊掌可以兼得。


他们使用高镍含量的单晶材料作为阴极,既增加了锂电池容量,也提升了安全性、寿命。与现在电动汽车中使用的锂离子电池相比,单晶富镍材料能多出25%的电池容量,可以制造能量密度250Wh/kg的锂电池。


这项锂离子电池的重要研究工作,发表在《Science》封面上。


电池材料


和许多“纸上谈兵”的论文不同,这项技术走出了实验室:PNNL团队已经与最大的电动汽车锂供应商Albemarle合作,并展示了这种材料千克量级的生产工艺。


镍:容量与安全的矛盾


镍在锂电池中起着重要的调控作用。


除了磷酸铁锂电池,大部分锂离子电池都含有镍。比如电动汽车上常用的三元电池,它的化学式为LiNixMnyCo1-x-yO2,一般x=y=1/3。


PNNL团队制作的材料化学式为LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2,他们将这种比例的材料称为NMC76。


镍含量越高,电池的能量密度也就越高。若镍含量超过60%(x=0.6),电池可用容量会进一步增加,但是阳极稳定性将变差,安全性问题也随之而来。


主要原因是高镍含量的材料对湿气敏感,会导致充放电过程中有害副反应的发生,并且有气体生成,从而降低电池的寿命和安全性。


NMC76材料避免这些缺点的办法就是制成单晶。


电池材料


用单晶克服缺点


锂电池的阳极材料为多晶形式,优点是充放电更快,但材料也会释放到电解质中,导致电池不可逆的损坏。


使用单晶材料则可以减弱多晶材料的损坏。


多晶电池材料的晶体尺寸为纳米量级,为PNNL团队制造的晶体尺寸增大到了微米量级。


电池材料


你可以把单晶和多晶想象成冰块和碎冰碴,在重量相同的情况下,冰块的融化速度更慢,更能抵抗高温和其他外力破坏。


但是,材料放电过程会释放锂离子,会破坏晶体结构吗?答案是肯定的,但是影响不大,因为材料具有一定的自我修复能力。


研究团队发现富镍单晶阴极破裂的原因是由于晶体滑移造成的。


从上面的电子显微镜图像(E和F)中可以看到,这种材料是一种多层的结构,因此它在释放锂离子过程中,不会像多晶材料那样崩解,而是层之间相互滑动。


电池材料


充电过程中,锂离子的相互作用可以部分地逆转滑移,当锂离子在进入晶格时会在一个方向上产生应力,与锂离子离开晶格时产生的应力方向相反。


这有些类似于扑克牌,每次充放电就相当于一个洗牌过程,每次洗牌都会导致牌之间稍有错位,但是大致还是对齐的。


不过这种损坏还是无法避免,研究小组正在探索稳定晶格的方法。


研究人员发现,在4.2伏左右的通用充电电压下,可最大程度地减少电极损坏。200次充放电循环后,电池仍有86.5%的容量。


电池材料


研究团队


这项研究来自美国能源部PNNL实验室的华人团队,第一作者是Yujing Bi博士。


电池材料


Yujing Bi在中科院宁波材料技术与工程研究所获得博士学位,2018年进入PNNL。


电池材料


她2008年毕业于纽约州立大学宾汉姆顿分校,之后加入PNNL,担任博士后研究助理,目前是电池和材料系统的首席科学家兼小组负责人。她还是Clarivate Analytics统计的前1%的高引学者。


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

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