陈根:锂电池新突破,新型涂层改善寿命

文|陈根

锂电池是目前最为广泛利用的一种电池,其具有能量密度大、自放电率低、电势差高等优点。锂离子电池已在众多领域实现了应用,如手机、电动汽车、卫星、飞船、水下机器人等。但是,锂电子并非没有缺点,其在功率密度、使用寿命等方面还有改进的空间。

锂电池在循环过程中,杂质会积攒在电池富镍阴极中。而镍虽然是锂电池能量密度的关键,但其具有不稳定性。这就容易导致在第一次充电和放电循环期间,镍阴极表面形成杂质,从而反过来又使电池的存储容量减少 10% 到 18%。

此外,镍在阴极结构的表面下产生了不稳定性,随着时间的推移,也会开始降低电池的存储容量。所以锂电池在长时间使用之后,续航能力往往会明显下降。

作为阴极的一个候选材料,一种名为 NMC 811 的镍锰钴材料有很大的开发潜力。于是,纽约州立大学宾汉姆顿分校、能源部和橡树岭国家实验室的研究人员对 NMC 811 进行了多项化学研究,希望其可有效抑制阴极中的不稳定性。

研究人员通过 X 射线和中子衍射技术来探究该材料的内在机制。结果表明,中子可轻松穿透阴极材料,揭示出铌和锂原子的位置,这为进一步了解铌的改性过程提供了机会。

并且,中子散射数据显示,铌原子稳定了表面,减少了第一周期的损失,而在更高的温度下,铌原子取代了阴极材料内部更深的一些锰原子,提高了长期的容量保持。通过这种镍锰钴材料,在首次充电循环中,锂电池容量损失明显减少。

值得一提的是,该材料还提供了更长的使用性能,250个充电周期内容量保持率达到 93.2%。在高密度存储优先应用情况下,比如在电动运输领域,这一特点将会发挥较大优势。

此外,电化学性能和结构稳定性让 NMC 811 更有机会成为候选的阴极材料,可用于更高能量密度的应用,如电动汽车。未来,将铌涂层与用铌原子结合,替代锰原子结合,可能是提高锂电池初始容量和长期容量保持率的有效途径。

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