Science封面：三元鋰電池安全性差、壽命短問題已解決

曉查 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

多年來，電池行業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）的華人研究團隊發現，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，可以製造能量密度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，這項技術走出了實驗室：

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

△ 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團隊製作的材料化學式為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溼氣敏感，會導致充放電過程中有害副反應的發生，並且有氣體生成，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製成單晶。

用單晶克服缺點

鋰電池的陽極材料為多晶形式，優點是充放電更快，但材料也會釋放到電解質中，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奈米量級，為PNNL團隊製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，會破壞晶體結構嗎？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。

研究團隊發現富鎳單晶陰極破裂的原因是由於晶體滑移造成的。

從上面的電子顯微鏡影象（E和F）中可以看到，這種材料是一種多層的結構，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滑移，當鋰離子在進入晶格時會在一個方向上產生應力，與鋰離子離開晶格時產生的應力方向相反。

這有些類似於撲克牌，每次充放電就相當於一個洗牌過程，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定晶格的方法。

研究人員發現，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次充放電迴圈後，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與工程研究所獲得博士學位，2018年進入PNNL。

她2008年畢業於紐約州立大學賓漢姆頓分校，之後加入PNNL，擔任博士後研究助理，目前是電池和材料系統的首席科學家兼小組負責人。她還是Clarivate Analytics統計的前1%的高引學者。