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最新出爐:富鎳單晶陰極將提升商用鋰電池含量25%!
2020年12月14日 發布 分類:技術前沿 點擊量:158
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12月11日,Science期刊發表了一份來自太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNLL)的研究成果,其根本原理在于降低鋰電富鎳陰極中多晶體的含量,繼而用單晶鎳來改善目前鋰電池的缺點。https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313.full

富鎳單晶

多晶陰極破碎失效示意圖

鎳的成本相對較低、毒性也低(對比鈷),因此成為目前商用三元正極的主力材料。但鎳含量越高,正極的穩定性就越差,這是由于富鎳陰極多為多晶形式存在,循環過程中多晶分解會導致出現放氣等失效和安全隱患問題。而破壞單晶結構會更難,這也意味著電池材料的穩定性更好。當富鎳陰極從多晶轉變為單晶后,無疑可以使鎳含量增加更多,從而提升正極性能。

但是單晶結構也并非沒有問題,PNLL研究小組發現晶體晶格層間滑動會導致微裂紋的發生。充放電過程中,離子進入和離開晶格時會產生相反的應力,隨著時間推移就會出現微裂紋,盡管不會像多晶體一樣分解,這仍會導致失效。

富鎳單晶

富鎳單晶

NMC76單晶正極電鏡掃描圖像 紅色箭頭顯示了單晶內部的滑動

解決方案

首先,研究人員開發了高溫熔鹽法,在氯化鈉中生長高性能單晶正極。其次,研究人員發現,在普通電壓(約4.2伏)下操作電池可以將損壞降至最低,同時仍可滿足電動汽車的應用需求。研究小組還預測,將單晶尺寸控制在3.5微米以下,即使在更高的電壓下也能避免損壞。研究小組正在探索穩定晶格的方法,以更好地適應充放電時鋰離子的進入和離開。

而新一代富鎳單晶陰極的開發,會實現比目前電動汽車使用的鋰離子電池至少多出25%的能量。


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