包括美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和SLAC国家加速器实验室研究人员在内的一组科学家已经确定了锂离子电池正极材料降解的原因，以及可能的补救措施。他们的发现于3月7日在Advanced Functional Materials上发布，可以为电动汽车开发更实惠，性能更好的电池。
寻找高性能阴极材料
为了使电动汽车具有与燃气汽车相同的可靠性，他们需要轻便但功能强大的电池。锂离子电池是当今电动汽车中最常见的电池类型，但是它们的高成本和有限的寿命限制了电动汽车的广泛部署。为了克服这些挑战，美国能源部许多国家实验室的科学家正在研究改进传统锂离子电池的方法。
电池由阳极，阴极和电解质组成，但许多科学家认为阴极是最紧迫的挑战。布鲁克海文的研究人员是美国能源部赞助的名为Battery500的财团的一部分，该联盟致力于将当今电动汽车的电池能量密度提高三倍。他们的目标之一是优化一类称为富镍层状材料的阴极材料。
“分层材料非常具有吸引力，因为它们相对容易合成，但也因为它们具有高容量和高能量密度，”该论文的作者Brookanven化学家Enyuan Hu说。
锂钴氧化物是多年来一直用作锂离子电池阴极的层状材料。尽管钴在便携式电子产品等小型储能系统中得到了成功应用，但钴的成本和毒性仍然是材料在大型系统中使用的障碍。现在，研究人员正在研究如何在不影响材料性能的情况下，用更安全，更实惠的元素替代钴。
“我们选择了一种富镍层状材料，因为镍比钴更便宜，更有毒，”胡说。“但问题是，在电池中多次充放电循环后，富镍层状材料开始退化。我们的目标是找出导致这种退化的原因并提供可能的解决方案。”
确定容量衰减的原因
阴极材料可以以多种方式降解。对于富镍材料，问题主要是容量衰减 - 使用后电池的充放电容量减少。为了充分了解富镍层状材料中的这一过程，科学家需要使用多种研究技术从不同角度评估材料。
“这是一种非常复杂的材料。它的特性可以在骑行过程中以不同的长度变化，”胡说。“我们需要了解材料的结构在充电 - 放电过程中如何在物理尺度上 - 原子尺度上 - 和化学方面发生变化，这涉及多种元素：镍，钴，锰，氧和锂。”
为此，胡和他的同事描述了多个研究设施的材料，包括两个同步加速器光源 - 布鲁克海文的国家同步加速器光源II(NSLS-II)和SLAC的斯坦福同步加速器辐射光源(SSRL)。两者都是美国能源部科学办公室用户设施。
“在这种材料的每个长度范围内，从埃到纳米到微米，在电池的充电 - 放电过程中都会发生一些事情，”共同作者，NSLS-II内壳光谱(ISS)光束线的光束线科学家Eli Stavitski说。“我们在国际空间站使用了一种称为X射线吸收光谱(XAS)的技术来揭示材料中活性金属离子周围环境的原子图。”
来自NSLS-II的XAS实验的结果使得研究人员得出结论，该材料具有坚固的结构，不会从大量释放氧气，挑战先前的信念。相反，研究人员发现，应变和局部疾病主要与镍有关。
为了进一步研究，该团队在SSRL进行了透射X射线显微镜(TXM)实验，绘制出材料中的所有化学分布图。这种技术产生了大量的数据，因此SSRL的科学家应用机器学习来对数据进行分类。
“这些实验产生了大量的数据，这是我们的计算贡献所在，”共同作者，一位SLAC员工科学家Yijin Liu说。“人类分析所有这些数据是不切实际的，因此我们开发了一种机器学习方法，通过数据搜索并判断哪些位置存在问题。这告诉我们在哪里查看和指导我们的分析。”
胡说：“我们从这个实验中得出的主要结论是，整个颗粒中镍原子的氧化态存在相当大的不均匀性。颗粒内的一些镍保持氧化状态，可能会失活，而表面上的镍不可逆转地减少了效率。“
另外的实验表明，在材料结构中形成了小裂缝。
“在电池的充放电过程中，阴极材料会膨胀和收缩，从而产生压力，”胡说。“如果这种压力可以迅速释放，那么它不会引起问题，但如果它不能有效释放，那么就会出现裂缝。”
科学家认为，他们可以通过合成具有中空结构的新材料来缓解这个问题。他们通过实验和计算来测试并证实了这一理论。展望未来，该团队计划继续开发和表征新材料，以提高其效率。
“我们在开发周期中工作，”Stavitski说。“你开发材料，然后你对其进行表征以获得对其性能的了解。然后你回到合成化学家开发一种先进的材料结构，然后你再次表征它。这是一条持续改进的途径。”
此外，随着NSLS-II继续增强其功能，科学家们计划利用NSLS-II的超亮光，在这些材料上完成更先进的TXM实验。
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