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新的阴极设计解决了更好锂离子电池的主要障碍
2022年09月11日    阅读量:24     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com    |  投稿

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员在锂离子电池的突破性发现方面有着悠久的历史。这些发现中的许多都集中在一种称为NMC的电池阴极上,即镍锰钴氧化物。带有这种阴极的电池现在为雪佛兰螺栓提供动力。

阿贡研究人员在NMC阴极方面取得了另一项突破。该团队针对阴极的微型颗粒的新结构可能导致更持久、更安全的电池,能够在非常高的电压下运行,并为车辆提供更长的行驶里程。关于这项研究的论文发表在《自然能源》杂志上。

“目前的NMC阴极已经成为高压下运行的主要障碍,”助理化学家徐桂良说。随着充放电循环,由于阴极颗粒中形成裂纹,性能迅速下降。几十年来,电池研究人员一直在寻找消除这些裂纹的方法。

过去的一种方法涉及由许多小得多的颗粒组成的微尺度球形颗粒。大球形颗粒是多晶的,具有不同取向的结晶区。因此,他们有科学家称之为粒子间的晶界,这会导致电池循环破裂。为了防止这种情况,Xu和Argonne的同事们之前已经在每个粒子周围开发了一种保护性聚合物涂层。该涂层围绕着大的球形颗粒和其中的小颗粒。

避免这种开裂的另一种方法涉及单晶颗粒。这些粒子的电子显微镜显示它们没有边界。

团队面临的问题是,由涂层多晶和单晶制成的阴极在循环过程中仍然会形成裂纹。因此,他们在高级光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)对这些阴极材料进行了广泛的分析,该中心位于阿贡的能源部科学用户设施办公室。

在五条APS光束线(11-BM、20-BM,2-ID-D、11-ID-C和34-ID-E)进行了不同的X射线分析。事实证明,正如电子和X射线显微镜所证明的那样,科学家们认为的单晶实际上内部有边界。CNM的扫描和透射电子显微镜证实了这一发现。

“当我们观察这些粒子的表面形态时,它们看起来像单晶,”物理学家刘文军说。“但当我们在APS使用同步加速器X射线衍射显微镜和其他技术时,我们发现了隐藏在其中的边界。”

重要的是,该团队开发了一种生产无边界单晶的方法。在非常高的电压下对具有这种单晶阴极的小电池的测试表明,每单位体积的能量存储增加了25%,在100个测试循环中几乎没有性能损失。相比之下,在相同的循环寿命内,由具有许多内部边界的单晶或涂层多晶体组成的NMC阴极的容量下降了60%至88%。

原子尺度的计算揭示了阴极容量下降的机制。根据CNM的纳米科学家Maria Chan的说法,与远离它们的区域相比,电池充电时,边界更容易受到氧原子损失的影响。这种氧损失导致细胞循环降解。

“我们的计算显示了边界如何导致高压下的氧气释放,从而导致性能下降,”Chan说。

消除边界防止了氧释放,从而提高了循环的阴极安全性和稳定性。APS的氧释放测量和能源部劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源支持了这一发现。

阿贡杰出研究员哈利勒·阿明(Khalil Amine)说:“我们现在有了电池制造商可以用来制备无边界且在高压下工作的阴极材料的指南。”。“该指南应适用于除NMC之外的其他阴极材料。”

标签:工业机器人机器人应用配件与装备人工智能系统及软件行业资讯
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