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穩(wěn)定性更強的新型無鈷鋰離子電池正極

發(fā)布時間:2023-02-03 責任編輯:lina

【導讀】目前我們的手機、筆記本電腦和電動汽車的電池都有一個主要缺點:它們都依賴于鈷。鈷是一種很難找到的金屬,主要來自非洲的礦山,鈷的采集對于當?shù)丨h(huán)境和礦工來說都存在著不少問題。


目前我們的手機、筆記本電腦和電動汽車的電池都有一個主要缺點:它們都依賴于鈷。鈷是一種很難找到的金屬,主要來自非洲的礦山,鈷的采集對于當?shù)丨h(huán)境和礦工來說都存在著不少問題。


為了找到擺脫對鈷依賴的鋰離子電池的其他解決方案,美國阿貢國家實驗室的研究團隊開發(fā)了一種不含鈷且更加穩(wěn)定的陰極材料,基于這項研究的論文發(fā)表在9月21日的《自然》雜志上。


作為電池成分,鈷具有熱穩(wěn)定性,這意味著它即使被加熱到很高的溫度也能發(fā)揮作用,同時還具有結構穩(wěn)定性。研究人員一直在尋找可以提供這些相同優(yōu)點而又沒有鈷缺陷的不同材料。而這款新陰極則兼具有兩個優(yōu)點:它不含鈷且十分穩(wěn)定,這意味著它不會在反復充電和放電時發(fā)生結構故障,例如開裂。


穩(wěn)定性更強的新型無鈷鋰離子電池正極

新型無鈷鋰離子電池(圖片來源:Shutterstock/nevodka。)


該材料不使用鈷,而是富含鎳。這種陰極化學成分復雜,含有少量的各種其他金屬包括鉬、鈮和鈦等。


“你可以把建造陰極想象成用不同種類的磚塊蓋房子,”該論文的合著者、阿貢的物理學家Wenqian Xu“通過使用各種不同形狀和大小的磚塊,我們可以增強房屋的穩(wěn)定性。多種元素有助于確保陰極顆粒的完整性。”


研究人員想研究新陰極的結構和熱穩(wěn)定性,因為其他富鎳陰極通常耐熱性差,容易導致電池材料氧化和熱失控,在某些情況下可能導致爆炸。此外,盡管高鎳正極可以容納更大的容量,但反復膨脹和收縮導致的體積變化會導致穩(wěn)定性差和安全問題。


為了測試新電池,研究人員將其循環(huán)了一千多次。他們發(fā)現(xiàn),在這個過程中,正極材料經(jīng)歷了不到0.5%的體積膨脹,這大約是之前富鎳陰極經(jīng)歷的體積膨脹的十分之一。


為了測試這種稱為HE-LMNO的新型陰極材料的耐熱性,加州大學歐文分校團隊在APS(先進光子源)上使用光束線11-ID-C研究材料在高溫下會發(fā)生什么。與之前在高溫下表現(xiàn)出嚴重納米裂紋的高鎳陰極相反,HE-LMNO經(jīng)歷了相變,使其能夠繼續(xù)發(fā)揮作用并保持容量。HE-LMNO中的HE代表高熵,這一特性是指合金中包含大量不同元素。


Wenqian Xu表示,這項研究可以為許多新電池陰極提供設計思路,有助于減少下一代鋰離子電池對鈷的依賴。“我們不僅找到了一種新電池,”他說“真的,通過在結構中混合不同的過渡金屬,我們可能會看到更多有趣的陰極候選物。可能會有一些比我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的更好的東西。”

(來源:綜合報道)


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