Credit: CC0 Public Domain
图片来源：网络供图
最近由加州大学圣地亚哥分校领衔的一个科研团队在Nature Energy杂志上发表了一篇文章，详细解释了导致电池“电压衰减”的原因，因为这种“电压衰减”，使得一类很有前景的被称为富锂NMC(镍镁钴)的正极材料氧化物无法大规模应用于电池。
多年以来，这些正极材料被认为可以制作更优异的动力电池，因而备受关注。
电池在经过一系列充放电循环后，其电压会发生衰减，并且电池最初得到的比能量在随后的放电过程中也会逐渐消失。新的研究解释了在富含锂的NMC正极材料中发生这种情况的原因。研究人员发现电池在高达4.7V的电压范围内充电时，富锂的NMC正极材料出现了纳米级的缺陷或位错。
“位错是额外的原子层，不属于任何其他完美周期性的晶体结构，”加州大学圣地亚哥分校博士后研究员，同时也是本文的第一作者Andrej Singer说道。 “发现这些位错是一个很大的惊喜，我们期望这些位错能够以完全不同的方向发生，”通过将实验得到的证据与理论相结合，研究小组得出结论，这种特定类型的位错的成核导致了电池电压的衰减。
在了解电池电压发生衰减的原因以后，该团队表示，可以通过对正极材料进行热处理，以消除大部分缺陷进而恢复电池的原始电压。 他们将经过热处理的正极材料放入新电池中，并在高达4.7V的电压范围内对其进行测试，证明电压衰减已经逆转。
虽然用于逆转缺陷的热处理方法是劳动密集型的并且不可能扩展，但是这种基于物理学和材料科学的方法来表征然后解决纳米级缺陷的研究方法，为寻找电压衰减问题的解决方案提供了希望。
“我们的论文主要是解开了导致富含锂的NMC材料中电压衰减的位错之谜。但是我们还没有解决富锂NMC中电压衰减问题的可扩展解决方案，不过我们正在这方面上取得研究进展，” 加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shirley Meng说道。 她和加州大学圣地亚哥分校物理学教授Oleg Shpyrko都是这篇发表在Nature Energy 杂志的指导老师。
“富锂NMC正极材料遇到的最严重的问题之一就是电压衰减，”论文的第一作者Minghao Zhang说道，他是纳米工程系的博士毕业生，现在他是加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的博士后研究员。
电压衰减降低了电池的能量密度，这反过来限制了这些材料的实际应用，尽管它们在初始充放电循环中具有较高的能量密度。
“我们的工作清楚地表明，富锂NMC材料结构中缺陷的产生和积累是电压衰减的起因，”zhang说。 “根据这一解释，我们设计了一种热处理工艺，实验结果表明热处理消除了结构中的缺陷并恢复了电池输出电压。”
固定电池细节
“工程解决方案必须建立在坚实的科学基础之上。如果你不知道发生了什么，那么你的解决策略就不会那么有效。我认为因为纳米级缺陷的产生这种现象长期缺乏明确性，这就导致了这种有希望的正极材料难以应用在生产中。”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shirley Meng说道。
Meng、Shpyrko及其各自的实验室合作者十分擅长对纳米尺度的电池进行成像、表征和计算。 他们的综合专业知识使团队能够在电池充电时从电池的X射线成像数据中获得前所未有的见解。
“如何能够在纳米级分辨率下直接成像出材料和器件的结构，这是我们设计和发现新功能材料的巨大挑战之一，”加州大学圣地亚哥分校物理学教授Oleg Shpyrko说。 “我们的研究小组努力的研究开发新型X射线成像技术，旨在从根本上理解并最终控制缺陷形成。我们的操作外成像研究表明了减轻下一代储能材料中电压衰减的新方法。”
研究细节
在发表在Nature Energy杂志的论文中作者写道：“我们直接在电化学充电过程中捕获到高容量富锂NMC正极材料的初级纳米粒子中的位错网络的成核现象。基于缺陷形成的发现和第一性原理计算，我们确定了电压衰减的原因，这使我们能够通过设计和实验证明一种创新的解决方法，以恢复富锂NMC正极材料的电压。”
在美国阿贡国家实验室进行的原位布拉格相干衍射成像技术允许研究人员在电池充电期间直接进行纳米粒子的内部成像。该团队通过对这些数据的分析和重建为电池充电时实际发生的情况提供了前所未有的见解。研究人员进行了多项观察性研究，同时电池材料的充电电压范围为4V至4.7V，在4.4V时，研究人员发现了一系列缺陷，包括刃型、螺型和混合位错。
研究人员还研究了目前商业化的非富锂NMC材料，在它们之中同样发现了缺陷，但它们的缺陷显着减少;并且在非锂富集的NMC材料中没有出现高于4.2V的新缺陷。
“通过此次特别的研究，我们希望为材料科学家开辟一个新的研究范例，让他们能够重新思考如何设计和优化这类材料进而将其应用于储能领域。但是，就目前来看，它还需要更多的研究工作和许多来自该领域的研究贡献才能最终解决问题，“Meng说。她在加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院担任能源技术的首席科学家。
期待固态电池
在论文中描述的研究最终可能为固态电池提供新的正极材料。包括Meng在内的许多研究人员都认为固态电池是未来最有希望的电池之一。 例如，富锂的NMC阴极在高电压下工作，最终可以与固态电解质配对，固态电解质也在高电压下工作。 科学家们对固态电池具有极大的兴趣，这是因为固态电解质被认为比锂离子可充电电池中使用的传统液体电解质更安全。
m.cnreagent.com
