一種新型納米級塗層有望延長鋰離子電池的使用壽命，通過防止氧氣釋放來保護電池單元，從而減少在多次充電周期中造成的損害。來自阿肯色大學的研究人員開發了一種超薄的硫化鋯塗層，該塗層適用於一種廣泛使用的正極材料，即鋰鎳錳鈷氧化物（NMC811）。這種材料因其高能量密度和相對較低的成本而受到電動車電池領域的廣泛研究。然而，NMC811存在一個主要弱點。在多次充電和放電周期中，正極會釋放氧氣。這些氧氣可能會與電池電解質反應，產生氣體和其他副產品，從而降解電池性能並增加潛在的安全風險。
研究團隊通過應用納米級塗層來解決這一問題，該塗層能夠化學捕捉釋放的氧氣，防止其引發電池內部的有害反應。科學家們利用原子層沉積技術，將僅有兩納米厚的硫化鋯塗層沉積到預製的NMC811正極上。當在電池循環過程中釋放氧氣時，該塗層會與氧氣反應，將硫化鋯轉化為硫酸鋯。實際上，這層塗層在電池單元內部充當氧氣捕捉劑，通過捕捉氧氣來防止其氧化電解質並形成有害副產品。形成的硫酸鹽層還有助於穩定正極與電解質之間的界面，同時限制正極內部的結構損壞。額外的保護有助於減少微裂紋的形成，並隨著時間的推移保護正極材料的內部結構。
在測試中，這一性能提升顯著。裸露的NMC811正極通常在約200次充放電周期後，其性能會急劇下降。而使用硫化鋯塗層的正極則能運行超過1,000次周期。經塗層的電池在1,300次周期後仍保留約60%的充電容量。這一概念建立在該研究小組之前探索的基於硫化物的保護層的研究基礎上。孟教授表示，硫化物能提供一種新的鋰離子電池內部保護塗層。他形容這些塗層為堅固、清潔和抗氧化的保護層。
迄今為止，研究小組已測試了多種能在電池運行過程中轉化為硫酸鹽的硫化物材料，包括 Li2S、ZrS2、Al2S3、ZnS 和 Cu2S。該項目由阿肯色大學機械工程副教授孟向波主導，研究的第一作者是博士研究生凱文·維拉斯奎茲，他使用常見於低功耗電子設備（如手錶和計算器）的硬幣電池測試了已塗層的正極。孟教授的實驗室專注於開發用於能源儲存系統的新型納米材料，工作包括合成無機、有機及混合納米材料，以改善電池性能。該項目得到了美國能源部的支持，還有阿貢國家實驗室的研究人員參與合作。孟教授表示，許多大型科技公司也對在其他電池系統中測試這些塗層表現出興趣。該研究發表在期刊《Small》上。
