Skoltech发现：添加氧化钽可使锂离子电池容量衰减减缓近一半

盖世汽车讯 据外媒报道，斯科尔科沃理工学院（Skoltech）的研究人员开发出可改进正极材料（电池关键部件）的新方法，即在正极材料中掺杂高价钽，并发现添加0.5摩尔%的氧化钽（Ta₂O₅）可使电池每个循环的容量衰减率降低近一半。

图片来源：期刊 《Advanced Functional Materials》

这项发表在《Advanced Functional Materials》上的研究成果，为制造更耐用、更安全、更高效的锂离子电池铺平了道路，这些电池将应用于电动汽车、电子设备和储能系统。

富镍正极材料的挑战

现代锂离子电池采用层状富镍氧化物正极材料来储存更多能量。然而，镍含量越高，电池衰减速度越快。反复充放电会导致材料颗粒内部逐渐形成裂纹，从而造成容量损失。

一种可能的解决方案是构建浓度梯度结构，使正极颗粒中心的镍含量最高，然后向表面逐渐降低，同时锰和钴稳定剂的浓度逐渐升高。最初的一个关键难点在于如何构建这种浓度梯度。

“在梯度结构中，很难制备出厚度适宜且稳定的富锰钴表面，并实现过渡金属含量从颗粒中心到边缘的线性变化，”该研究的共同作者、斯科尔科沃科技学院材料科学博士生Lyutsia Sitnikova评论道。“为了实现这一目标，我们开发了一个数学模型，用于预测阴极团聚体中镍、锰和钴的浓度如何随关键合成参数的变化而变化。与其他研究不同的是，我们的模型考虑了颗粒的球形形状和半径。我们利用该模型合成了三种不同类型的梯度结构，并用实验数据验证了计算结果。”

氧化钽在稳定性中的作用

另一个挑战是在最终制造阶段（即高温下用锂掺杂材料）保持梯度。为了解决这个问题，研究团队在材料中添加了氧化钽。

“我们发现，这种高价元素并非仅仅掺杂层状氧化物的晶体结构；相反，钽会偏析到初级晶粒的表面，并促进层状结构中的阳离子无序化，”该研究的第一作者、斯科尔科沃科技学院能源系的高级研究科学家Alexandra Savina表示。“值得注意的是，富钽区域并没有在晶界处形成独立的相。相反，它们以外延的方式扩展初级晶粒的晶体结构，形成几纳米厚的富钽表面层。”

对电池性能的影响

指导这项研究的能源中心杰出教授Artem Abakumov评论道：“利用密度泛函理论进行的量子化学计算证实，钽的偏析在热力学上是有利的，并且能够有效抑制镍的迁移和晶界迁移。钽通过阻止镍、锰和钴的相互扩散，有效地保持了梯度结构；同时，它还通过阻止一次晶粒的生长，保持了一次晶粒的细长形状。这极大地提高了材料的循环稳定性和热稳定性。我们发表的研究成果既具有基础研究意义，又具有实际应用价值：它们将为斯科尔科沃科技学院实验生产线上首批正极材料NMC90-GTa的试生产奠定基础，该生产线的年产量可达100吨。”