新研究揭示电池开裂根因及缓解策略

芝加哥大学普利兹克分子工程学院与阿贡国家实验室的博士后研究员Jing Wang是新论文第一作者，该论文揭示了导致日益流行的电动汽车电池形式开裂的纳米级应变根因及缓解方法。（图片来源：John Zich）

解决困扰电池界的长期谜题

阿贡国家实验室与芝加哥大学普利兹克分子工程学院的新研究解决了一个导致容量衰减、寿命缩短甚至起火的重大电池谜题。

在《Nature Nanotechnology》发表的论文中，研究人员揭示了导致日益流行的电动汽车及其他技术用电池开裂的纳米级应变根因及缓解方法。

“社会电气化需要每个人的贡献，”通讯作者之一、阿贡杰出研究员兼芝加哥大学联合教授Khalil Amine说，“如果人们不信任电池的安全性和耐用性，就不会选择使用它们。”

从多晶到单晶：并非总是更好

由于使用多晶富镍材料（PC-NMC）作为正极的锂离子电池长期存在开裂问题，近几年研究者转向单晶富镍层状氧化物（SC-NMC）。但它们并不总表现出与旧模型相似或更好的性能。

由第一作者Jing Wang在博士期间完成、由Shirley Meng教授的能源存储与转化实验室与Amine的先进电池技术团队联合指导的新研究揭示了根本问题：从多晶正极得出的假设被错误地应用到了单晶材料上。

“当人们尝试过渡到单晶正极时，一直遵循类似多晶的设计原则，”现任职于芝加哥大学与阿贡的博士后Wang说。“我们的工作指出，单晶颗粒的主要降解机制与多晶不同，导致不同的成分要求。”

“不仅需要新的设计策略，还需要不同的材料，以帮助单晶正极电池发挥全部潜力，”同时担任阿贡能源存储研究联盟（ESRA）主任的Meng说。“通过更好地理解不同正极材料的降解方式，我们可帮助设计一套高性能正极材料，满足世界能源需求。”

多晶与单晶的不同失效模式

多晶正极电池充放电时，微小的堆叠初级颗粒膨胀收缩。这种反复膨胀收缩会扩大分隔多晶的晶界，类似反复冻融在城市街道形成坑洼。“通常会有约5%-10%的体积膨胀或收缩，”Wang说。“一旦膨胀或收缩超出弹性极限，就会导致颗粒开裂。”

若裂纹过宽，电解液渗入会引发副反应和氧释放，引发安全担忧，包括热失控风险。但除非这些戏剧性情况，日常影响是容量衰减——电池随时间衰退，无法提供如新时的电量。单晶正极材料虽无那些初始晶界，却仍在降解。

“我们证明单晶NMC正极的降解主要由一种独特的力学失效模式主导，”另一通讯作者、阿贡化学家Tongchao Liu说。“通过识别这一此前被低估的机制，该工作为材料成分与降解路径建立了直接联系，深入揭示了这些材料性能衰退的起源。”

利用多尺度同步辐射X射线技术和高分辨透射电镜，他们发现单晶正极开裂主要由反应异质性驱动。颗粒以不同速率发生反应，导致应变不在多晶设计的晶体之间，而是在单个晶体内部。

成分优化：锰比钴更有害

多晶正极是镍、锰、钴的平衡术。钴导致开裂，但被用于缓解单独问题——Li/Ni无序。

通过构建并测试一款镍钴电池（无锰）和一款镍锰电池（无钴），团队发现，对单晶正极而言情况相反。锰在力学上比钴更有害，钴反而帮助电池更持久。

然而，钴比镍或锰更贵。Wang说，团队将实验室创新转化为实际产品的下一步，是寻找复制钴良好效果的低成本材料。

“进步是周期性的，”Amine说。“解决一个问题，再解决下一个。这篇合作论文的见解将帮助未来研究者为明天的电池创造更安全、更持久的材料。”

更多信息请联系Khalil Amine：[邮箱地址]