Science封面：三元锂电池安全性差、寿命短问题已解决，来自美国能源部华人团队最新研究

晓查 2020-12-11 13:13:50 来源：量子位

晓查 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

多年来，电池行业一直在阳极材料上做文章。

不同的电动汽车用着不同材料的电池，比如磷酸铁锂电池、三元锂电池。

目的都是让电池能量密度大一些、安全性再高一些、寿命再长一些，然而三者却往往是矛盾的。

但最近，美国能源部所属的西北太平洋国家实验室（PNNL）的华人研究团队发现，鱼和熊掌可以兼得。

他们使用高镍含量的单晶材料作为阴极，既增加了锂电池容量，也提升了安全性、寿命。

与现在电动汽车中使用的锂离子电池相比，单晶富镍材料能多出25％的电池容量，可以制造能量密度250Wh/kg的锂电池。

这项锂离子电池的重要研究工作，发表在今天的Science封面上。

和许多“纸上谈兵”的论文不同，这项技术走出了实验室：

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。

△ 单晶富镍电池材料

镍：容量与安全的矛盾

镍在锂电池中起着重要的调控作用。

除了磷酸铁锂电池，大部分锂离子电池都含有镍。比如电动汽车上常用的三元电池，它的化学式为LiNixMnyCo1-x-yO2，一般x=y=1/3。

PNNL团队制作的材料化学式为LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2，他们将这种比例的材料称为NMC76。

镍含量越高，电池的能量密度也就越高。若镍含量超过60%（x=0.6），电池可用容量会进一步增加，但是阳极稳定性将变差，安全性问题也随之而来。

主要原因是高镍含量的材料对湿气敏感，会导致充放电过程中有害副反应的发生，并且有气体生成，从而降低电池的寿命和安全性。

NMC76材料避免这些缺点的办法就是制成单晶。

用单晶克服缺点

锂电池的阳极材料为多晶形式，优点是充放电更快，但材料也会释放到电解质中，导致电池不可逆的损坏。

使用单晶材料则可以减弱多晶材料的损坏。

多晶电池材料的晶体尺寸为纳米量级，为PNNL团队制造的晶体尺寸增大到了微米量级。

你可以把单晶和多晶想象成冰块和碎冰碴，在重量相同的情况下，冰块的融化速度更慢，更能抵抗高温和其他外力破坏。

但是，材料放电过程会释放锂离子，会破坏晶体结构吗？答案是肯定的，但是影响不大，因为材料具有一定的自我修复能力。

研究团队发现富镍单晶阴极破裂的原因是由于晶体滑移造成的。

从上面的电子显微镜图像（E和F）中可以看到，这种材料是一种多层的结构，因此它在释放锂离子过程中，不会像多晶材料那样崩解，而是层之间相互滑动。

充电过程中，锂离子的相互作用可以部分地逆转滑移，当锂离子在进入晶格时会在一个方向上产生应力，与锂离子离开晶格时产生的应力方向相反。

这有些类似于扑克牌，每次充放电就相当于一个洗牌过程，每次洗牌都会导致牌之间稍有错位，但是大致还是对齐的。

不过这种损坏还是无法避免，研究小组正在探索稳定晶格的方法。

研究人员发现，在4.2伏左右的通用充电电压下，可最大程度地减少电极损坏。200次充放电循环后，电池仍有86.5%的容量。

研究团队

这项研究来自美国能源部PNNL实验室的华人团队，第一作者是Yujing Bi博士。

Yujing Bi在中科院宁波材料技术与工程研究所获得博士学位，2018年进入PNNL。

她2008年毕业于纽约州立大学宾汉姆顿分校，之后加入PNNL，担任博士后研究助理，目前是电池和材料系统的首席科学家兼小组负责人。她还是Clarivate Analytics统计的前1%的高引学者。

论文地址：
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313