科学家发现稳定正极材料的新方法
美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的化学家领导的一组研究人员研究了正极材料中一种难以捉摸的特性，称为价梯度，以了解其对电池性能的影响。发表在Nature Communications 上的研究结果表明，价梯度可以作为一种新方法来稳定高镍含量阴极的结构，防止降解和安全问题。
高镍含量阴极因其高容量而吸引了科学家的注意，这种化学特性可以为电动汽车提供比当前电池支持的更远距离的动力。不幸的是，高镍含量也会导致这些阴极材料更快降解，随着电池循环产生裂纹和稳定性问题。
为了寻找这些结构问题的解决方案，科学家们合成了由镍浓度梯度制成的材料，其中镍的浓度从材料表面逐渐变化到其中心或主体。这些材料表现出大大增强的稳定性，但科学家们无法确定是否单独的浓度梯度是造成改进的原因。传统上，浓度梯度与另一种称为价梯度的效应密不可分，即镍的氧化态从材料表面到本体的逐渐变化。
在布鲁克海文实验室领导的这项新研究中，美国能源部阿贡国家实验室的化学家合成了一种独特的材料，可以将价梯度与浓度梯度分离。
我们使用了一种非常独特的材料，其中包括没有镍浓度梯度的镍价梯度，该研究的第一作者、布鲁克海文化学家 Ruoqian Lin 说，正极材料中所有三种过渡金属的浓度从表面到本体都是一样的，但镍的氧化态发生了变化。我们通过在合成过程中控制材料的气氛和煅烧时间来获得这些特性。在足够的煅烧时间下，锰和氧之间更强的键合强度促进了氧进入材料核心，同时在表面保持镍的 Ni2+ 氧化态，形成价梯度。
一旦化学家成功合成了具有孤立价梯度的材料，布鲁克海文的研究人员就使用布鲁克海文实验室的两个美国能源部科学办公室用户设施——国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 和功能纳米材料中心研究其性能(CFN)。
在超亮 X 射线光源 NSLS-II 上，该团队利用了两个尖端实验站，即硬 X 射线纳米探针 (HXN) 光束线和全场 X 射线成像 (FXI) 光束线。通过结合两种光束线的功能，研究人员能够在电池运行多次循环后以 3D 形式可视化其样品的原子级结构和化学组成。
通过结合所有不同设施收集的数据，研究人员能够确认价梯度在电池性能中发挥了关键作用。价差梯度“隐藏”了材料中心电容性更强但稳定性较差的镍区域，仅暴露了表面结构更合理的镍。这种重要的布置抑制了裂纹的形成。
研究人员表示，这项工作突出了浓度梯度材料对电池性能的积极影响，同时提供了一种新的互补方法，通过价梯度稳定高镍含量正极材料。
这些发现为我们未来的新型材料合成和阴极材料设计提供了非常重要的指导。
