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。”
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。”