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加州大學研究人員開發出用于鋰離子電池的無鈷陰極

2022-09-26 08:56  來源:蓋世汽車 劉麗婷  瀏覽:  

蓋世汽車訊 據外媒報道,加州大學爾灣分校(University of California, Irvine,UCI)和四個國家實驗室設計出一種不使用鈷來制造鋰離子電池陰極的方法。鈷是一種受價格波動和地緣政治影響較大的礦物。

相關論文通訊作者、UCI物理學和天文學教授Huolin Xin表示:“通過‘高熵摻雜’技術,我們成功地制造出一種無鈷層狀陰極,可在反復充放電循環中具有極高的耐熱性和穩定性,解決了長期以來富鎳電池材料的安全性和穩定性問題,為廣泛的商業應用鋪平了道路。”

加州大學研究人員開發出用于鋰離子電池的無鈷陰極

圖片來源:加州大學

該論文的作者稱,鈷在化學上可穩定鋰離子電池的陰極,但也是阻礙電動汽車、卡車和其他需要電池的電子設備被廣泛采用的重要原因之一,因為其開采地區主要為剛果民主共和國,開采環境惡劣且存在虐待行徑。

Xin表示:“電動汽車制造商急于減少電池組中鈷的使用,不僅是為了降低成本,而且是為了反對雇傭童工。研究表明,鈷會在高壓下導致氧氣釋放,從而損壞鋰離子電池。因此電池中的鈷需要被替代。”

然而,鎳基正極也存在耐熱性差等問題,容易導致電池材料氧化、熱失控甚至爆炸。盡管富鎳陰極可以容納更大的容量,但反復膨脹和收縮引起的體積應變會導致穩定性差和安全問題。

通過使用HE-LMNO,研究人員試圖通過成分復雜的高熵摻雜來解決上述問題。HE-LMNO是結構內部過渡金屬鎂、鈦、錳、鉬和鈮的混合物,其表面和界面富有這些礦物的子集與其他電池材料。

通過使用一系列同步加速器X射線衍射、透射電子顯微鏡和3D納米斷層成像儀器,Xin及其同事確定其零鈷陰極在重復使用期間表現出零體積變化。這種高度穩定的結構能夠承受1,000多次循環和高溫,因此可與鎳含量低得多的陰極相媲美。

對于其中一些研究工具,Xin是與位于紐約美國能源部布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的國家同步加速器光源II(National Synchrotron Light Source II,NSLS-II)的研究人員合作。作為美國能源部科學辦公室用戶設施,NSLS-II為團隊提供了使用其28種科學儀器中的三種(稱為光束線)的權限,以研究新陰極的內部結構。

NSLS-II的科學家、論文合著者Mingyuan Ge表示:“在NSLS II光束線上將不同方法結合,我們能夠發現材料內部氧空位和缺陷的捕獲效應,從而有效地防止HE-LMNO二次粒子中裂紋的形成,進而使這種結構在循環過程中非常穩定。”

Xin補充說:“使用這些先進的工具,我們能夠觀察到陰極顯著提高的熱穩定性和零體積變化特性,并且我們已經能夠證明容量保持率和循環壽命也顯著提高。這項研究可以為開發現有能量密集型電池替代品奠定基礎。”

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