研究人員近期揭開了一項影響電池性能的重大謎團,這一問題導致了電池容量下降、壽命縮短,甚至在某些情況下引發火災。來自阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)及芝加哥大學普利茨克分子工程學院(UChicago PME)的新研究揭示了一些根本原因,以及如何緩解這些微觀應變,這些應變可能使日益流行的電動車及其他技術所使用的電池出現裂紋。阿岡國家實驗室的資深研究員及芝加哥大學的聯合教授Khalil Amine表示,社會的電氣化需要每個人的貢獻。如果人們不相信電池是安全且耐用的,他們將不會選擇使用這些電池。
由於長期存在的鋰離子電池在使用多晶Ni富材料(PC-NMC)作為陰極時出現的裂紋問題,研究人員近幾年來開始轉向單晶Ni富層狀氧化物(SC-NMC)。但是根據研究人員的說法,這些新材料的表現並不總是優於舊型號。新研究揭示了潛在的問題:從多晶陰極得出的假設不正確地應用於單晶材料。第一作者Jing Wang表示,在轉向單晶陰極時,研究人員遵循了與多晶相似的設計原則。我們的研究表明,單晶顆粒的主要降解機制與多晶的不同,這導致了不同的成分要求。
這項發表於《Nature Nanotechnology》的研究揭示了SC-NMC在電池運行過程中的獨特微觀應變演變,挑戰了傳統的成分驅動策略及用於PC-NMC的機械降解指標。通過顆粒級的化學機械分析,研究人員揭示了SC-NMC中機械穩定性與晶格體積變化之間的解耦,識別出SC材料的結構不穩定性主要由動力驅動的反應不均勻性和逐漸失活的化學相引起的多維晶格變形主導。利用這一機械故障模式,研究者重新定義了鈷和錳在維持機械穩定性中的角色。與鈷在PC-NMC中的有害作用不同,研究人員發現鈷對於提高SC-NMC的壽命至關重要,能夠減輕沿擴展擴散路徑的局部應變,而錳則加劇了機械降解。
這項研究不僅挑戰了傳統設計,也改變了所使用的材料,重新定義了鈷和錳在電池機械故障中的角色。阿岡國家實驗室能源儲存研究聯盟(ESRA)主任Meng表示,不僅需要新的設計策略,還需要不同的材料來幫助單晶陰極電池充分發揮其潛力。透過更好地理解不同類型陰極材料的降解方式,能夠幫助設計出一系列高效的陰極材料,以滿足全球能源需求。
在多晶陰極電池充電和放電的過程中,微小的堆疊顆粒會膨脹和收縮。這種反覆的擴張和收縮可能會擴大分隔多晶的晶粒邊界,類似於重複凍結和解凍會在城市街道上形成坑洞的現象。Wang表示,通常情況下,這些顆粒會遭受約5%至10%的體積膨脹或收縮。一旦膨脹或收縮超過彈性極限,就會導致顆粒開裂。
如果裂縫擴大過多,電解液可能會滲入,導致不必要的副反應和氧氣釋放,增加安全隱患,包括熱失控的風險。然而,除了這些極端情況外,更常見的影響是容量衰減——電池隨著時間的推移而逐漸無法提供與新電池相同的充電容量。研究人員證明了單晶NMC陰極的降解主要由一種獨特的機械故障模式主導。通過識別這一之前未被充分認識的機制,這項研究建立了材料成分與降解途徑之間的直接聯繫,為這些材料性能衰退的起源提供了更深層的見解。
