阿贡实验室开发新型钠离子电池阴极设计 有望用于电动汽车

盖世汽车讯 长期以来，锂离子电池一直是电动汽车（EV）的首选电源。然而，随着EV市场迅速扩张，预计未来五到十年内锂供应将出现短缺。钠的储量更为丰富且成本较低，因此钠离子电池被视为富有前景的锂离子电池替代品。但由于含钠阴极的性能会随着反复充放电迅速下降等因素，这类电池的商业化受到严重影响。

（图片来源：阿贡实验室）

据外媒报道，阿贡国家实验室（Argonne）的团队开发出新型钠离子氧化物阴极设计，在解决这一问题上取得了重大进展。该设计与阿贡早期的锂离子氧化物阴极设计非常相似，经证实具有高储能容量和长寿命。

这两种设计的关键特征是，微观阴极颗粒中含有过渡金属混合物，包括镍、钴、铁或锰。重要的是，这些金属并不是均匀地分布在单个阴极颗粒中。例如，镍出现在核心处，而钴和锰围绕着这一核心，从而形成了外壳。这些元素具有不同的用途，富锰表面使颗粒在充放电循环过程中具有结构稳定性，富镍核心则可以提供高容量储能。

在循环测试期间，该阴极的储能容量平稳下降。问题的根源是颗粒在循环过程中产生了裂纹，这是由于颗粒的壳和核之间产生应变而形成的。该团队试图通过微调其阴极制备方法来消除循环前产生的应变。

用于开启合成过程的前体材料是氢氧化物。除了氧和氢，它还含有三种金属：镍、钴和锰。该团队制作了两种版本的氢氧化物，一种是金属从核心到外壳呈梯度分布，另一种是三种金属均匀地分布在每个颗粒中。为了形成最终产物，该团队将前体材料和氢氧化纳的混合物加热至高达600摄氏度，并在那个温度下保持一段时间，然后冷却到室温。研究人员还尝试了不同的升温速率。

在整个处理过程中，该团队监测了颗粒特性中的结构变化。该分析使用两个美国能源部科学办公室用户设施，包括位于阿贡的先进光子源（光束线17-BM和11-ID）和位于美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的国家同步加速器光源II（光束线18-ID）。阿贡光束线研究人员Wenqian Xu表示：“利用这些设施中的X射线束，我们可以在现实的合成条件下确定颗粒组成和结构的实时变化。”

该团队还通过阿贡纳米材料中心（CNM）进行额外分析，以表征颗粒，并利用阿贡领导力计算设施（ALCF）的Polaris超级计算机，将X射线数据重建为详细的3D图像。CNM和ALCF也是美国能源部科学办公室的用户设施。

初步结果显示，均匀颗粒中没有裂纹，但在温度低至250摄氏度时，梯度颗粒中会形成裂纹。这些裂纹出现在核心处和核壳边界，接着向表面移动。显而易见，金属梯度引起了明显的应变，从而导致产生裂纹。阿贡博士后研究员Wenhua Zuo表示：“我们知道梯度颗粒可以产生具有高储能容量的阴极，因此想找到可以消除梯度颗粒中的裂纹的热处理条件。”

升温速率被证明是一个关键因素。裂缝在每分钟5度的升温速率下形成，而在每分钟1度的缓慢速率下则不会形成。在小电池中进行的测试显示，以较慢速度制备的阴极颗粒可以在400次循环中保持高性能。

研究人员Gui-Liang Xu表示：“在阴极合成过程中防止产生裂纹，对后来的阴极充放电将大有益处。虽然钠离子电池能量密度还不足以为汽车提供长距离动力，但它们非常适合城市驾驶。”

目前，该团队致力于从阴极中去除镍，以进一步降低成本，并提高可持续性。阿贡杰出研究员Khalil Amine表示：“未来钠离子电池的前景似乎非常好，不仅成本低、寿命长，而且与目前许多锂离子电池中使用的磷酸铁锂阴极的能量密度相当。这将有助于实现更可持续的电动汽车，而且续航里程更长。”