PNNL合成单晶高能富镍阴极锂电池 提升电动汽车续航

盖世汽车讯 据外媒报道，由美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）领导的新研究发明出创新的、具有成本效益的合成单晶、高能、富镍阴极的方法，或将提高电动汽车（EV）的单次充电存储能量并使电池能够承受更多充电周期。

图片来源：PNNL

电动汽车的行驶里程取决于其电池组的每个组成电芯的可输送能量。对于主导电动汽车电池市场的锂离子电池来说，电芯级能量容量和电芯成本都因正极或负极遇到了瓶颈。

富镍电池愿景

传统电动汽车电池的阴极使用的是金属氧化物混合物，即锂镍锰钴氧化物（LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2），缩写为NMC。当阴极中加入更多的镍时，它会大大提高电池存储能量的能力，从而提高电动汽车的续航里程。因此，富镍NMC（例如NMC811，其中8表示80％的镍）引起了研究人员极大的兴趣和重要性。

然而，使用标准方法形成的高镍NMC阴极会聚集成粗糙且块状的多晶结构。这种类似肉丸的结构对于普通NMC来说有其优势。然而，对于NMC811及更高版本，球状多晶裂缝很容易分裂，导致材料失效。这使得使用这些富镍阴极制造的电池容易破裂，且还会开始产生气体，并且比含镍较少的阴极更快地衰减。

合成单晶NMC811的挑战

解决这个问题的一个策略是：通过消除晶体之间有问题的边界，将块状多晶NMC转化为光滑的单晶形式，但这种转化说起来容易做起来难。在实验室中，单晶在熔盐或水热反应等环境中生长，产生光滑的晶体表面。然而，这些环境对于现实世界的阴极制造来说并不实用，在现实世界中，成本较低的固态方法是首选。

在这些更典型的固态方法中，NMC阴极的制备方法是将金属氢氧化物前体与锂盐混合，直接混合并加热这些氢氧化物，然后生成团聚（块状簇状）的多晶NMC。使用多步加热过程会产生微米大小的晶体，但它们仍然会聚集，因此不良副作用仍然存在。

PNNL的解决方案

在PNNL电池专家的领导下，研究小组与美国雅保（Albemarle）公司合作，通过引入预热步骤来改变过渡金属氢氧化物的结构和化学性质，解决了这些问题。 当预热的过渡金属氢氧化物与锂盐反应形成阴极时，它会形成均匀的单晶NMC结构，即使在放大镜下也看起来很光滑。

在该研究中，研究人员现在正在使用雅宝提供的锂盐将这种单晶NMC811扩大到公斤级。该扩大后的单晶在真实的2Ah锂离子软包电池中进行了测试，使用标准石墨阳极，以确保电池的性能主要由新阴极决定。

首个配备扩大后单晶的原型电池即使经过1,000次充电和放电循环也很稳定。当研究人员观察1000次循环后晶体的微观结构时，研究人员发现没有缺陷，并且电子结构完美排列。

诺贝尔奖获得者、宾厄姆顿大学（Binghamton University）杰出化学教授Stan Whittingham评论道：“这是一项重要的突破，它将允许使用最高能量密度的锂电池而不会退化。此外，长寿命电池的这一突破对于它们在车辆中的使用至关重要，且这些车辆可以连接到电网，以使其更具弹性并支持清洁的可再生能源。”

单晶富镍阴极的合成方法既创新又具有成本效益。该方法很直接，也很容易扩大规模，允许阴极制造商使用现有的生产设施生产单晶NMC811，甚至镍含量超过80%的阴极。