據(jù)外媒報(bào)道，斯科爾科沃理工學(xué)院（Skoltech）的研究人員開(kāi)發(fā)出可改進(jìn)正極材料（電池關(guān)鍵部件）的新方法，即在正極材料中摻雜高價(jià)鉭，并發(fā)現(xiàn)添加0.5摩爾%的氧化鉭（Ta?O?）可使電池每個(gè)循環(huán)的容量衰減率降低近一半。

圖片來(lái)源：期刊 《Advanced Functional Materials》

這項(xiàng)發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上的研究成果，為制造更耐用、更安全、更高效的鋰離子電池鋪平了道路，這些電池將應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電子設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)。

富鎳正極材料的挑戰(zhàn)

現(xiàn)代鋰離子電池采用層狀富鎳氧化物正極材料來(lái)儲(chǔ)存更多能量。然而，鎳含量越高，電池衰減速度越快。反復(fù)充放電會(huì)導(dǎo)致材料顆粒內(nèi)部逐漸形成裂紋，從而造成容量損失。

一種可能的解決方案是構(gòu)建濃度梯度結(jié)構(gòu)，使正極顆粒中心的鎳含量最高，然后向表面逐漸降低，同時(shí)錳和鈷穩(wěn)定劑的濃度逐漸升高。最初的一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)在于如何構(gòu)建這種濃度梯度。

“在梯度結(jié)構(gòu)中，很難制備出厚度適宜且穩(wěn)定的富錳鈷表面，并實(shí)現(xiàn)過(guò)渡金屬含量從顆粒中心到邊緣的線性變化，”該研究的共同作者、斯科爾科沃科技學(xué)院材料科學(xué)博士生Lyutsia Sitnikova評(píng)論道?！盀榱藢?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)陰極團(tuán)聚體中鎳、錳和鈷的濃度如何隨關(guān)鍵合成參數(shù)的變化而變化。與其他研究不同的是，我們的模型考慮了顆粒的球形形狀和半徑。我們利用該模型合成了三種不同類型的梯度結(jié)構(gòu)，并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果?！?/p>

氧化鉭在穩(wěn)定性中的作用

另一個(gè)挑戰(zhàn)是在最終制造階段（即高溫下用鋰摻雜材料）保持梯度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在材料中添加了氧化鉭。

“我們發(fā)現(xiàn)，這種高價(jià)元素并非僅僅摻雜層狀氧化物的晶體結(jié)構(gòu)；相反，鉭會(huì)偏析到初級(jí)晶粒的表面，并促進(jìn)層狀結(jié)構(gòu)中的陽(yáng)離子無(wú)序化，”該研究的第一作者、斯科爾科沃科技學(xué)院能源系的高級(jí)研究科學(xué)家Alexandra Savina表示。“值得注意的是，富鉭區(qū)域并沒(méi)有在晶界處形成獨(dú)立的相。相反，它們以外延的方式擴(kuò)展初級(jí)晶粒的晶體結(jié)構(gòu)，形成幾納米厚的富鉭表面層?！?/p>

對(duì)電池性能的影響

指導(dǎo)這項(xiàng)研究的能源中心杰出教授Artem Abakumov評(píng)論道：“利用密度泛函理論進(jìn)行的量子化學(xué)計(jì)算證實(shí)，鉭的偏析在熱力學(xué)上是有利的，并且能夠有效抑制鎳的遷移和晶界遷移。鉭通過(guò)阻止鎳、錳和鈷的相互擴(kuò)散，有效地保持了梯度結(jié)構(gòu)；同時(shí)，它還通過(guò)阻止一次晶粒的生長(zhǎng)，保持了一次晶粒的細(xì)長(zhǎng)形狀。這極大地提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。我們發(fā)表的研究成果既具有基礎(chǔ)研究意義，又具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：它們將為斯科爾科沃科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線上首批正極材料NMC90-GTa的試生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，該生產(chǎn)線的年產(chǎn)量可達(dá)100噸?！?/p>