單晶技術為下一代鋰離子電池帶來了希望

美國能源部西北太平洋國家實驗室(PNNL)的科學家報告了如何使富鎳單晶正極材料更牢固、更高效的新發現。該研究小組在正極上的研究成果，發表在2020年12月11日的《Science》雜志上。全球各地的研究人員正在努力制造出大容量、長壽命、低成本的電池。提高鋰離子電池性能對于電動汽車普及至關重要。關鍵在于降低電池內部的副反應，延長電池壽命，從而改善電池的尺寸和成本等因素。

使用富鎳正極，可以提高電池的容量。與金屬鈷等其他關鍵電極材料相比，金屬鎳成本更低、更易得且低毒，因此有望實現大規模應用。并且通過提高富鎳正極中的鎳含量，可以增加正極容量。然而，富鎳正極材料晶格中的鎳越多，正極就越不穩定，不利的副反應也會增加，導致材料損壞，且儲運非常困難。最大限度發揮鎳的作用，盡量抑制其缺點也是一項挑戰。目前最常見的富鎳正極材料為多晶形態——眾多納米晶體聚集成一個大顆粒，其優點是充放電更快，但在重復循環過程中，多晶有時會破裂。隨著電極暴露在電解質中的面積擴大，高鎳引起的副反應加速，并形成氣體。富鎳正極材料這種不可逆的損壞將加速電池失效，并增加安全隱患。

PNNL研究人員開發了一種在高溫熔融食鹽中生長高性能晶體的工藝，通過制造富鎳的單晶正極材料來避開這些問題。與多晶材料相比，單晶的優勢是什么？不妨想象露營時利用冰塊冷藏食物的方法。融化一大塊冰比融化同樣數量的小冰塊慢得多；大冰塊經得起更高的溫度和其他外部力量的破壞。富鎳正極材料與此類似：在某些條件下，小晶體的集合體比單晶更容易受到周圍環境的影響。隨著電池充放電次數的增加，多晶體完全被粉碎，正極結構遭到破壞。當正極中的鎳含量較低時，鎳引起的不利副反應不是很嚴重，此時含鎳的多晶正極材料仍可提供大功率且穩定的性能。然而，一旦鎳含量增加，不利的副反應增多，多晶的高鎳正極就會出現明顯的問題。

PNNL研究小組還找到了單晶富鎳正極破裂的原因，叫做晶格滑動過程，在這個過程中，晶體開始破裂，形成微裂紋。他們發現，在某些條件下，這種滑動是部分可逆的，因而提出了預防的方法。基于這一新的基本認識，利用單晶就可預防滑動和微裂紋。研究結果表明，晶體內晶格層的滑動是微裂紋的根源。這些結晶層來回移動，與洗牌類似。滑動發生于電池充放電過程中，鋰離子每次脫出-嵌入正極使晶體產生輕微變形。經過多次循環，反復滑動導致微裂紋形成。PNNL研究小組認識到，這個過程可以通過鋰原子的自然作用實現部分逆轉，當鋰離子嵌入晶格時，在某個方向上產生應力，當它們脫出時，則在相反的方向上產生應力。但這兩個作用不會彼此完全抵消，隨著時間的推移，微裂紋就會形成。這就是為什么單晶最終也會失敗的原因，盡管它們不會像多晶一樣粉碎。該團隊采取幾種策略來防止滑動。研究人員發現，在常規電壓(約4.2 V)下使用電池(鋰離子電池汽車正常使用的范圍)，可最大限度地降低損壞。該小組還預測，即使在較高的電壓下，將單晶的尺寸保持在3.5 μm 以下也可以避免損壞。

該研究小組估計，與當今電動汽車中使用的鋰離子電池相比，富鎳單晶正極電池的容量至少增加25%。