由加利福尼亚大学圣地亚哥分校团队领导的研究人员在Nature Energy杂志上发表了一篇文章，解释了导致性能降低“电压衰减”的原因，这种“电压衰减”目前困扰着一类有前途的称为富锂NMC(镍镁钴)的正极材料氧化物。
多年来，这些阴极材料作为用于电动车辆的更好的可充电电池的有希望的部件而引起了相当大的关注。(例如：Steve LeVine 在2014年7月的Quartz文章中，能否保存世界上最有前途的电动车电池?)
在电池经历一系列充电 - 放电循环后，其电压衰减并且其能够保持的能量以及稍后释放以供使用也会消失。新的研究解释了为什么这种情况发生在富含锂的NMC阴极材料中。特别是，研究人员发现富含锂的NMC阴极材料中的纳米级缺陷或位错，因为电池在高达4.7伏的电压范围内充电。
“位错是额外的原子层，不适合其他完美周期性的晶体结构，”作为加州大学圣地亚哥分校博士后研究员的首席作者Andrej Singer说。“发现这些位错是一个很大的惊喜：如果有的话，我们期望额外的原子层以完全不同的方向发生，”现在加入康奈尔大学的辛格说。通过将实验证据与理论相结合，研究小组得出结论，这种特定类型的位错的成核导致电压衰减。
了解电压衰减的起因后，该团队表明，对阴极材料进行热处理可消除大部分缺陷并恢复原始电压。他们将经过热处理的阴极放入新电池中，并在高达4.7伏的电压范围内进行测试，证明电压衰减已经逆转。
虽然用于逆转缺陷的热处理方法是劳动密集型的并且不可能扩展，但是基于物理学和材料科学的方法来表征然后解决纳米级缺陷为寻找电压衰减问题的新解决方案提供了希望。
“我们的论文主要是解开导致锂富集NMC电压衰减的位错之谜。我们还没有解决富锂NMC中电压衰减问题的可扩展解决方案，但我们正在取得进展，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shirley Meng说。她和加州大学圣地亚哥分校物理学教授Oleg Shpyrko是新自然能源论文的高级作者。
“富锂NMC阴极材料最严重的问题之一就是电压衰减，”论文作者Minghao Zhang说，他是纳米工程博士的最新毕业生。加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的项目，现在他是博士后研究员。
电压衰减降低了电池的能量密度，这反过来限制了这些材料的实际应用，尽管它们在初始充电 - 放电循环中具有高能量密度。
“我们的工作首次清楚地表明，富锂NMC材料结构中的缺陷产生和缺陷积累是电压衰减的起因，”张说。“根据这一解释，我们设计了一种热处理方案，然后表明热处理消除了散装结构中的缺陷并恢复了电池输出电压。”
固定电池细节
“工程解决方案必须建立在坚实的科学基础之上。如果你不知道发生了什么，那么你的缓解策略就不那么有效了。我认为这就是阻碍这种材料的因素，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Shirley Meng表示，指的是在纳米尺度上发生的事情长期缺乏明确性，导致这些有希望的阴极材料中的电压衰减。
Meng，Shpyrko及其各自的实验室和合作者在对纳米尺度的电池进行成像，表征和计算时会非常擅长充电。他们的综合专业知识使团队能够在充电时从电池的X射线成像数据中获得前所未有的见解。
“能够在操作条件和纳米级分辨率下直接成像材料和器件的结构是我们设计和发现新功能材料的巨大挑战之一，”加州大学圣地亚哥分校物理学教授Oleg Shpyrko说。“我们小组在开发新型X射线成像技术方面的努力旨在从根本上理解并最终控制缺陷形成。我们的操作外成像研究表明了减轻下一代储能材料中电压衰减的新方法。”
这次合作是加州大学圣地亚哥可持续能源和能源中心跨学科工作的一部分，Shirley Meng担任主任，Oleg Shpyrko担任联合主任。可持续能源和能源中心的研究从理论研究到实验和材料特性，一直到校园微电网上设备的实际测试。
研究细节
在自然能源论文中，作者写道：“我们直接在电化学充电过程中捕获高容量LRLO材料[富锂NMC阴极]的初级纳米粒子中的位错网络的成核。基于缺陷形成的发现和第一原理计算，我们确定电压衰减的起源，使我们能够设计和实验证明一种创新的处理方法，以恢复LRLO的电压。“
该原位布拉格衍射相干成像技术，在阿贡国家实验室进行的，使研究人员能够直接图像电池充电时的纳米颗粒的内部。该团队对这些数据的分析和重建为电池充电时实际发生的情况提供了前所未有的见解。研究人员进行了多项观察性研究，同时电池材料的充电电压范围为4伏至4.7伏。在4.4伏特时，研究人员发现了一系列缺陷，包括边缘，螺钉和混合位错。
研究人员还研究了目前商业化的非富锂NMC材料并发现了缺陷，但显着减少了; 在非富锂NMC材料中，4.2伏以上没有出现新的缺陷。
“通过这份出版物，我们希望为材料科学家开辟一个新的范例，重新思考如何设计和优化这类材料用于储能。它还需要更多的工作和许多来自该领域的贡献才能最终解决问题，“孟说。她在加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院担任能源技术的Zable Endowed Chair。
期待固态
Nature Energy论文中描述的研究最终可能为固态电池提供新的阴极材料。许多研究人员，包括孟，认为固态电池是未来最有希望的电池方法之一。例如，富锂的NMC阴极在高电压下工作，因此最终可以与固态电解质配对，固态电解质也在高电压下工作。对固态电池的大部分兴趣来自于固态电解质被认为比锂离子可充电电池中使用的传统液体电解质更安全的事实。
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