富镍单晶阴极来了！锂电池重磅突破登《科学》封面：同时兼顾能量、寿命、安全性
世界各地的研究人员都在努力制造能量更多、寿命更长、生产成本更低的电池。改进的锂离子电池对于电动车的广泛应用至关重要，而电池阴极是常见的锂离子电池中的一个关键部件。
美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家报告了如何使单晶、富含镍的阴极更坚固、更高效的新发现。通过使用高镍含量的单晶材料作为阴极，他们实现了这些性能“兼得”的效果。该小组的研究成果以“Reversible planar gliding and microcracking in a single-crystalline Ni-rich cathode”为题，最新发表在12月11日的《科学》杂志上。
据悉，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。
电池的简单外表掩盖了它的复杂性，而控制内部复杂的分子相互作用对设备正常运行至关重要。持续不断的化学反应会对电池造成伤害，它会限制电池的使用时间，影响电池的大小、成本和其他因素。
富镍阴极的前景：容量与安全的矛盾
科学家们正在研究通过增加镍的含量来在阴极材料中存储更多能量的方法。锂离子电池制造商之所以将镍列入设计阶段，主要是因为与钴等其他关键电池材料相比，镍的成本相对较低、容易获得且毒性较低。
该论文的通讯作者、PNNL电池研究项目组长Jie Xiao表示:“富含镍的正极材料具有储存更多能量的真正潜力。”“但大规模部署一直是一个挑战。”
虽然镍很有前景，但含量过高会给电池带来问题。材料晶格中的镍越多，阴极的稳定性就越差。高镍含量会增加不必要的副反应，破坏材料，使储存和处理非常困难。
开发更多镍带来的所有好处，同时将缺点最小化，这是一个挑战。
目前，最常见的富镍阴极是以多晶体的形式出现的——即许多纳米晶体在一个更大的粒子中的聚集体。这些具有储存和释放能量更快的优点。但在反复循环过程中，多晶体有时会分解。这可能会使大部分表面积暴露在电解液中，加速由高镍含量引起的不必要的化学反应，并产生气体。这种不可逆的损害会导致电池的阴极镍含量高，电池会更快失效，并引发安全问题。
单晶体、固态透明的锂离子电池
Jie Xiao等科学家正试图通过制造一种富含镍的单晶阴极来避开这些问题。PNNL的研究人员开发了一种在熔融盐(氯化钠，普通食盐)中在高温下生长高性能晶体的方法。
与多晶材料相比，单晶材料的优点是什么？想想你的食物在露营时保持凉爽。一块固态的冰比同等数量的小冰块融化得慢得多；冰块更能抵抗高温和其他外力的破坏。
这与富含镍的阴极类似：在某些条件下，一堆小晶体比单晶更容易受到周围环境的伤害，特别是在镍含量高的情况下，因为镍容易引起不必要的化学反应。
随着时间的推移，随着电池的反复循环，这些聚集物最终会粉碎，破坏阴极的结构。当阴极中的镍含量较低时，这并不是什么大问题；在这种条件下，含有镍的多晶硅阴极提供高功率和稳定性。然而，当科学家们制造出含有更多镍的阴极——一种真正富含镍的阴极时，这个问题变得更加明显。
阴极微裂纹可逆、可预防
PNNL团队发现了一个富含镍的单晶阴极断裂的原因：是由于一个被称为晶体滑动的过程，即晶体开始断裂，导致微裂纹。他们发现在某些情况下滑翔是部分可逆的，并提出了避免损害的方法。
“有了新的基本认识，我们将能够防止单晶的滑动和微裂纹。这不同于多晶硅的破坏，后者的颗粒在一个不可逆的过程中被粉碎。”Jie Xiao说。
事实证明，晶体晶格层内的滑动运动是微裂纹的根源。这些层来回移动，就像洗牌一样。滑动发生在电池充电和放电时——锂离子离开并返回阴极，每一次轻微地扭曲晶体。在许多周期内，反复滑动导致微裂缝。
Jie Xiao的团队了解到，这一过程可以通过锂原子的自然作用部分逆转，当离子进入晶格时，锂原子在一个方向产生压力，当离子离开晶格时，锂原子在另一个方向产生压力。但这两种行为并不能完全抵消对方的影响，随着时间的推移，微裂纹就会发生。这就是单晶最终失败的原因，尽管它们不会像多晶那样分解成小颗粒。
这支团队正在采取几种策略来防止这种‘离面"现象。研究人员发现，在普通电压(约4.2伏特)下运行电池，在仍处于电动汽车锂离子电池正常工作范围内的情况下，可以将损坏降到最低。该小组还预测，将单晶的尺寸保持在3.5微米以下，即使在较高的电压下也可以避免损坏。该团队正在探索稳定晶格的方法，以更好地适应锂离子的接触和离面。
研究小组估计，与目前电动车中使用的锂离子电池相比，这种富含镍的单晶阴极至少要多消耗25%的能量。
现在，由Jie Xiao领导的太平洋国家实验室的研究人员正在与Albemarle公司合作。Albemarle公司是一家主要的特种化学品制造公司，也是全球电动车电池锂的主要生产商之一。在能源部资助的一项合作中，研究小组将通过演示千克级的过程来研究高级锂盐对富含镍的单晶阴极材料性能的影响。