用食盐制造更好、更便宜的锂离子电池

J就在澳大利亚进入传统的夏季麻木状态之前，美国太平洋西北国家实验室(PNNL)的一个人联系了我，关于锂离子电池单晶技术的研究。

锂离子电池面临的双重挑战是在降低成本的同时提高其能源性能，而这正是PNNL材料科学的背后。的重点这个项目(发表在科学杂志在这里)是为了克服制造富镍单晶阴极元件所涉及的问题。正如PNNL的新闻稿所解释的那样，增加阴极中的镍可以让电池储存更多的能量，但过多的镍会导致阴极不稳定。

PNNL工作的另一个重点是克服多晶阴极可能遭受的裂缝问题，因为这些裂缝会缩短电池寿命。

选自PNNL的媒体声明:

“目前最常见的富镍阴极是多晶的形式——许多纳米晶体聚集在一个更大的颗粒中。这些具有更快地储存和释放能量的优点。但在重复循环过程中，多晶有时会分解。这可能会使大部分表面暴露在电解质中，加速由高镍含量引起的不必要的化学反应并产生气体。这种不可逆的损坏会导致电池的阴极镍含量高，电池会更快失效，并引发安全问题。”

PNNL说，当晶体富含镍时，这个问题会更严重，因为镍会引起不必要的化学反应。

由富含镍的单晶制成的阴极应该可以避免这种特殊的挑战，但是单晶也有自己的退化问题，作为PNNL电池小组的负责人(也是该杂志的通讯作者)科学12月，肖杰向我解释道。

第一个问题是捏造。

“为了生长单晶，你需要更高的温度，这意味着更低的性能。”

“锂盐在高温下蒸发——你在高温下保持晶体的时间越长，你失去的锂就越多。这将导致产能下降。

“另一件事是，因为我们谈论的是富含镍的晶体，在高温下，你不会得到理想的结构。你会得到氧化镍。”

肖在PNNL的团队决定采用一种不同的方法来制造单晶。

肖教授解释说:“我们使用氯化钠——食盐——作为晶体生长的介质。”“这有助于降低温度，缩短(晶体生长)时间。”

该团队的另一项重要发现与导致单晶分解的原因有关，他们将这一过程称为“晶体滑动”。

肖:

“我们发现，单晶不会分解成小块。相反，结构的各层相互滑动。”

下面的动画说明了这一点:

令人鼓舞的是，通过该小组对这一过程的新理解，他们还发现可以通过相对简单的措施来缓解这种情况。

肖告诉我，滑行是可逆的，只有在大量循环或充电到非常高的电压后才会造成不可逆转的损害。

循环只是电池的寿命，但电池充电电压很容易管理。肖告诉我，将每个电池的电压限制在4.2V有助于防止滑动，这是锂离子电池的正常充电窗口。

肖教授解释说，晶体结构是控制滑翔的另一种方式。3.5微米是一个关键的晶体尺寸，在这个尺寸上，滑动被减轻或消除;修改单晶的对称性也有帮助。

这项工作的回报是什么?PNNL团队估计，与目前用于电动汽车的锂离子电池相比，单晶富镍阴极能多储存25%的能量。

肖说，进一步的工作将集中在扩大他们的制造技术上，利用其他将在未来发表的发现来取代氯化钠生长介质。