PNNL：单晶富镍阴极材料有望为下一代锂离子电池带来希望

美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的科学家报告了有关如何使单晶，富镍阴极更稳定，更高效。这项研究探索了单晶富镍正极材料裂纹形成的机理，并提出了抑制正极材料开裂的有效策略，为提高锂电池寿命提供了新的思路。研究小组工作发表在《科学》杂志上。

研究亮点：
1. 探索了单晶富镍正极材料裂纹形成的机理。
2. 提出了抑制锂电池富镍正极材料裂纹的有效策略。

锂离子电池的正极材料中，高能富Ni材料因为其高压低成本的优势，是最常用也最具前景的正极材料之一。通常共沉淀法将纳米级的初级粒子聚集为微米级的次级粒子，这是传统的正极材料LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂的制备方法。团聚的多晶NMC缩短了初级粒子内的扩散长度，并增加了孔隙结构，使得Li⁺输运效率更高。

问题在于，人们发现，这种常见的含有Ni、Mn、Co的多组分多晶正极材料在高压下会产生裂纹，导致表面积增加，并更容易遭受潮气影响，使副反应增加，电池循环寿命更短，从而导致电池失效。

单晶富镍正极具有更少的相界，有望解决多晶正极所面临的挑战。单晶富镍正极中的超电势、微观结构和电化学行为之间存在根本的联系。然而，高性能单晶富镍正极的合成仍依然是一个关键难题。

有鉴于此，太平洋西北国家实验室Jie Xiao等人从原子尺度深入探索了单晶富镍正极材料裂纹形成的机理，并提出了抑制正极材料开裂的有效策略。张继光、王崇明等人参与研究。

富含高能镍（Ni）的阴极将在高级锂（Li）离子电池中发挥关键作用，但会遭受湿气敏感性，副反应和气体产生的困扰。富含镍的单晶阴极具有巨大的潜力，可以通过减少相界和材料表面来解决多晶阴极中所面临的挑战。然而，尽管单晶富镍阴极中的超电势，微观结构和电化学行为之间存在根本的联系，但高性能单晶富镍阴极的合成仍具有很大的挑战性。我们在单晶富镍阴极中观察到沿（003）平面可逆的平面滑动和微裂纹。-Bi等。

研究人员正在研究通过增加镍含量在阴极材料中存储更多能量的方法。与其他关键电池材料（例如钴）相比，镍具有相对较低的成本，广泛的可用性和较低的毒性。

富镍阴极材料具有储存更多能量的真正潜力。但是大规模部署一直是一个挑战。

尽管镍具有广阔的前景，但大量使用会给电池带来问题。材料晶格中的镍越多，阴极的稳定性就越差。高镍含量会增加有害的副反应，损坏材料，并使储存和处理非常困难。

当前，最常见的富镍阴极为多晶形式，即一个较大颗粒中许多纳米晶体的聚集体。这些具有用于更快地存储和释放能量的优点。但是，多晶有时会在重复循环中分解。

这可能会使大部分表面积暴露于电解质中，从而加速由高镍含量引起的有害化学反应并产生气体。这种不可逆转的损坏会导致带有富镍阴极的电池更快失效，并引发安全隐患。

研究人员正试图通过制造单晶，富镍阴极来规避许多这些问题。在某些情况下，尤其是在镍含量高的情况下，小晶体的聚集体比单晶体更容易受到周围环境的影响，因为镍易于诱发有害的化学反应。

随着时间的推移及反复的电池循环，聚集体最终被粉碎，破坏了阴极的结构。当阴极中的镍含量较低时，这并不是什么大问题；在这种条件下，含镍的多晶阴极可提供高功率和稳定性。然而，当科学家创造出一个镍含量更高的阴极时，这个问题变得更加突出了-这个阴极确实富含镍。

PNNL小组发现了富含镍的单晶阴极破裂的原因之一：这是由于一种称为晶体滑动的过程而导致的，晶体开始破裂，导致微裂纹。他们发现滑行在某些情况下是部分可逆的，并提出了完全避免损坏的方法。

PNNL研究人员开发了一种在高温下在熔融盐中生长高性能晶体的方法。

晶体晶格层内的滑动运动是微裂纹的根源。各个层来回移动，就像洗牌时的纸牌一样。滑行发生在电池充电和放电时-锂离子离开并返回阴极，每次都使晶体变形得如此之小。在许多循环中，反复滑动会导致微裂纹。

研究团队了解到，该过程可以通过锂原子的自然作用部分地逆转，锂离子在进入晶格时会在一个方向上产生应力，而在离子离开时会在相反方向上产生应力。但是，这两个动作并不能完全相互抵消，随着时间的流逝，会出现微裂纹。这就是为什么单晶最终会失败的原因，尽管它们不会像多晶晶体那样分解成小颗粒。

研究人员认为，微观结构缺陷的可逆形成与晶格中锂原子的浓度梯度引起的局部应力相关。基于以上认识，作者开发了扩散引起的应力模型，以了解平面滑移的起源，并提出了稳定这些富镍正极的有效方法：1）将晶体尺寸减小到3.5 μm以下；2）通过改变结构对称性，吸收更多应变能；3）简单地优化电荷深度，而无需牺牲大量可逆能量。

研究小组估计，与当今电动汽车中使用的锂离子电池相比，单晶，富含镍的阴极能多消耗25％的能量。获取更多前沿科技信息访问：https://byteclicks.com

总之，这项研究探索了单晶富镍正极材料裂纹形成的机理，并提出了抑制正极材料开裂的有效策略，为提高锂电池寿命提供了新的思路。

现在，由Xiao领导的PNNL研究人员正在与Albemarle Corporation合作，Albemarle Corporation是一家主要的特种化学制造公司，并且是全球领先的电动汽车电池锂生产商之一。在美国能源部（DOE）资助的一项合作中，该团队将通过展示该工艺，研究高级锂盐对单晶富镍阴极材料性能的影响。

这项工作是由美国能源部能源效率和可再生能源汽车技术办公室资助的。部分研究使用了位于布鲁克黑文的National Synchrotron Light Source II。