新研究揭示了电池破裂的原因和缓解策略

芝加哥大学普利兹克分子工程学院，伊利诺伊州芝加哥

芝加哥大学普利兹克分子工程学院和阿贡国家实验室的博士后研究员王静是一篇新论文的第一作者，该论文揭示了纳米应变可能导致日益流行的电动汽车和其他技术电池破裂的一些根本原因以及缓解方法。 （图片来源：约翰·齐奇）

阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的新研究解决了电池的一个重大谜团，该谜团导致容量下降、寿命缩短，在某些情况下甚至引发火灾。

在《自然纳米技术》上发表的论文中 ，研究人员发现了纳米应变的一些根本原因以及缓解方法，这些应变可能导致电动汽车和其他技术中日益流行的电池形式破裂。

“社会电气化需要每个人的贡献，”通讯作者之一、阿贡杰出研究员、芝加哥大学联合教授哈利勒·阿明（Khalil Amine）说，“如果人们不相信电池的安全性和持久性，他们就不会选择使用它们。”

由于在阴极中使用多晶富镍材料（PC-NMC）的锂离子电池长期存在裂纹问题，研究人员在过去几年中转向了单晶富镍层状氧化物（SC-NMC）。但它们并不总是表现出与旧型号相似或更好的性能。

这项新研究由第一作者王静在攻读博士学位期间进行。期间，由Shirley孟教授的能量存储与转换实验室和Amine的先进电池技术团队共同监督，揭示了根本问题：从多晶阴极得出的假设被错误地应用于单晶材料。

“当人们试图过渡到单晶阴极时，他们一直遵循与多晶阴极类似的设计原则，”现在在芝加哥大学和阿贡国家实验室工作的博士后研究员王说。 “我们的工作发现，单晶颗粒的主要降解机制与多晶颗粒不同，这导致了不同的成分要求。”

“不仅需要新的设计策略，还需要不同的材料来帮助单晶阴极电池充分发挥潜力，”孟说，他也是阿贡国家实验室储能研究联盟（ESRA）的主任。 “通过更好地了解不同类型的正极材料如何降解，我们可以帮助设计一套满足世界能源需求的高性能正极材料。”

当多晶阴极电池充电和放电时，微小的、堆叠的初级粒子会膨胀和收缩。这种反复的膨胀和收缩可以扩大分隔多晶体的晶界，类似于反复的冷冻和解冻如何使城市街道变得坑坑洼洼。 “通常情况下，它的销量会扩大或缩小约 5% 到 10%，”Wang 说。 “一旦膨胀或收缩超过弹性极限，就会导致颗粒开裂。”

如果裂缝扩大太多，电解质就会进入，这可能会导致不必要的副反应和氧气释放，从而引发安全问题，包括热失控的风险。但是，除非出现这些戏剧性的情况，更常见的影响是容量下降——电池随着时间的推移而逐渐衰退，越来越无法提供与新电池时相同的电量。由于单晶正极材料不是由许多堆叠的晶体制成，因此没有那些起始晶界，但仍然会降解。

“我们证明，单晶 NMC 阴极的退化主要是由一种独特的机械故障模式控制的，”另一位通讯作者、阿贡国家实验室的化学家 Tongchao Liu 说。 “通过识别这种以前被低估的机制，这项工作在材料成分和降解途径之间建立了直接联系，从而更深入地了解这些材料性能衰减的根源。”

利用多尺度同步加速器 X 射线技术和高分辨率透射电子显微镜，他们发现单晶阴极的裂纹主要是由反应异质性驱动的。粒子以不同的速率进行反应，不会像多晶设计那样在多个晶体之间产生应变，而是在一个晶体内产生应变。

多晶阴极是镍、锰和钴的平衡行为。钴会导致裂纹，但需要缓解一个单独的问题——锂/镍紊乱。

通过构建和测试一种镍钴电池（不含锰）和一种镍锰电池（不含钴），该团队发现，对于单晶阴极，情况恰恰相反。锰比钴对机械的危害更大，而钴实际上有助于延长电池的使用寿命。

然而，钴比镍或锰更贵。 Wang 表示，该团队将这项实验室创新转化为现实产品的下一步是寻找能够复制钴良好效果的更便宜的材料。

“进步是周期性的，”阿明说。 “你解决了一个问题，然后继续解决下一个问题。这篇合作论文中概述的见解将帮助未来的研究人员为未来的电池创造更安全、更持久的材料。”

如需了解更多信息，请联系 Khalil Amine：此电子邮件地址已受到垃圾邮件机器人保护。您需要启用 JavaScript 才能查看它..