阿贡开发更稳定的富镍正极材料 以用于锂离子电池

目前电动汽车的电池中需要使用钴。这种金属的储量有限，而且成本较高。据外媒报道，为了找到不依赖钴的其他锂离子电池解决方案，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究人员参与了一项合作研究，以确定潜在的电池正极新材料。

（图片来源：阿贡实验室）

这种新型正极不含钴且稳定，在反复充放电时，不会出现裂纹等问题。

作为电池的构成部分，钴具有热稳定性，即使加热到更高的温度，也能正常工作，并提供结构稳定性。研究人员一直在寻找不同的材料，既具有同等优势，而不存在钴的缺陷。

在这项新研究中，由加州大学欧文分校（University of California, Irvine）负责的研究团队制造并分析了一种锂离子正极材料，这种材料不使用钴，而是富含镍。另外，这种正极的化学成分较复杂，含有少量其他金属（包括钼、铌和钛）。

该团队使用了先进光子源（APS）的资源，APS是美国能源部阿贡国家实验室的科学办公室用户设施。阿贡物理学家Wenqian Xu表示：“可以把构建正极想象成用不同种类的砖建造一座房子。使用不同形状和大小的砖，能够增强房子的稳定性。使用多种元素，有助于确保正极颗粒的完整性。”

研究人员想要研究这种新型正极的结构和热稳定性。其他富镍正极的耐热性通常较差，可能导致电池材料发生氧化和热失控，甚至是爆炸现象。此外，高镍正极可以容纳更大的容量，但由于反复扩张和收缩，体积变化很大，可能出现稳定性和安全方面的问题。

为了测试新电池，研究人员使其循环了一千多次。在这个过程中，正极材料的体积膨胀不到0.5%，大约是以前富镍正极的十分之一。之前的富镍正极都存在不同程度的稳定性问题。阿贡物理学家Tianyi Li表示：“保持正极体积的一致性，是确保其稳定性的关键。”

这种新型正极材料名为HE-LMNO。为了表征其耐热性，加州大学欧文分校的研究人员使用APS的光束线11-ID-C，以检查高温下材料会发生什么。之前的高镍正极在高温下会出现严重的纳米裂纹。与之不同，LHE-LMNO经历了相变，能够继续运行并保持容量。HE-LMNO中的HE代表高熵（指合金中含有大量不同的元素）。

加州大学欧文分校的Huolin Xin表示，“研究结果表明，高熵效应可以转移到更广泛类别的化合物上，这些化合物是构成新电池材料的基础。”

对于新的电池正极设计，这项研究提出的方法有助于减少下一代锂离子电池对钴的依赖。Xu表示：“研究人员还没有发现新的电池。通过在结构中混合不同的过渡金属，可能会看到更多有趣的正极选项电池。”

为了制造实验所需的电极，研究人员使用了阿贡的电芯分析、建模和原型（CAMP）设施。阿贡电池研究人员Steve Trask表示：“这种方法能够提供基准电极，并使用试点规模设备验证有前景的化学物质，对评估先进材料具有重要意义。”