锂离子电池的“奠基人”利用SNS中子证实，用不含锂的氧化铌（浅绿色）涂覆正极材料（蓝色）可以大大降低首次循环容量损失并提高长期容量。 图片来源：Jill Hemman/ORNL
1970 世纪 2019 年代末，M. Stanley Whittingham 首次提出了可充电锂离子电池的概念，并因此分享了 XNUMX 年诺贝尔化学奖。 然而，即使是他也无法预料到，随着这些电池为世界便携式电子产品提供动力，将会出现复杂的材料科学挑战。
一个长期存在的技术问题是，每次在设备中安装新的锂离子电池时，在设备第一次充电之前，其能量容量会损失多达五分之一左右。 无论电池安装在笔记本电脑、相机、手表，甚至是新型电动汽车中，都是如此。
原因是富镍阴极上形成的杂质，即电池的正极 (+) 侧，其存储的能量通过该侧释放。
为了找到保留损失容量的方法，惠廷汉姆领导了一组研究人员，其中包括纽约州立大学宾厄姆顿分校 (SUNY Binghamton) 的同事以及能源部 (DOE) 布鲁克海文 (BNL) 和橡树岭的科学家国家实验室（ORNL）。 该团队使用 X 射线和中子来测试用不含锂的铌氧化物处理主要阴极材料（一种称为 NMC 811 的层状镍锰钴材料）是否会产生更耐用的电池。
“铌在锂离子电池的富镍层状氧化物阴极中的作用是什么？”的研究结果出现在 ACS能源通讯.
“我们在层状氧化物阴极材料上测试了 NMC 811，因为我们预测不含锂的铌氧化物会在表面形成纳米级的锂铌氧化物涂层，从而传导锂离子并让它们渗透到阴极材料中，”Whittingham 说道。纽约州立大学杰出教授兼东北化学储能中心 (NECCES) 主任，该中心是能源部能源前沿研究中心，由纽约州立大学宾厄姆顿分校领导。
锂电池的阴极由锂和富镍氧化物材料（含有至少一种氧的化合物）的交替层制成。 原子），因为镍相对便宜，与其他金属相比，有助于以更低的成本提供更高的能量密度和更大的存储容量。
但阴极中的镍相对不稳定，因此很容易与其他元素发生反应，使阴极表面被不良杂质覆盖，从而在第一次充放电循环期间使电池的存储容量降低 10-18%。 镍还会导致阴极结构内部不稳定，从而进一步降低长时间充电和放电时的存储容量。
为了了解铌如何影响富镍阴极材料，科学家们在 ORNL 散裂中子源 (SNS) 的 VULCAN 工程材料衍射仪上进行了中子粉末衍射研究。 他们测量了纯 NMC 811 和铌改性样品的中子衍射图案
NECCES 电池设施经理 Hui Zhou 表示：“中子很容易穿透阴极材料，揭示铌和锂原子的位置，从而更好地了解铌改性过程的工作原理。” “中子散射数据表明，铌原子稳定了表面，以减少首次循环损失，而在较高温度下，铌原子取代了阴极材料内部更深处的一些锰原子，以提高长期容量保持率。”
实验结果表明，在 93 次充放电循环中，首次循环容量损失减少，长期容量保持率提高了 250% 以上。
Whittingham 表示：“电化学性能和结构稳定性方面的改进使得铌改性 NMC 811 成为用于更高能量密度应用（例如电动汽车）的阴极材料的候选材料。” “将铌涂层与铌原子替代锰原子相结合可能是提高初始容量和长期容量保持率的更好方法。 使用目前的 NMC 材料多步骤制造工艺，可以轻松扩大这些修改的规模。”
惠廷厄姆补充说，这项研究支持了该项目的目标 Battery500财团是一个由美国能源部太平洋西北国家实验室为美国能源部能源效率和可再生能源办公室领导的多机构项目。 该项目致力于开发下一代锂金属电池，每公斤的能量高达 500 瓦时，而目前的平均每公斤约为 220 瓦时。
参考文献：“铌在锂离子电池的富镍层状氧化物阴极中起什么作用？” 作者：Fengxia Xin、Hui Zhou、Yanxu Zong、Mateusz Zuba、Yan Chen、Natasha A. Chernova、Jianming Bai、Ben Pei、Anshika Goel、Jatinkumar Rana、Feng Wang、Ke An、Louis FJ Piper、Guangwen Zhou 和 M. Stanley Whittingham ，18 年 2021 月 XNUMX 日， ACS能源通讯.
DOI：10.1021/acsenergylett.1c00190
该研究得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室、车辆技术办公室的支持，并使用了 BNL 国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 和 ORNL 散裂中子源的资源。
SNS 和 NSLS-II 是能源部科学办公室用户设施。 UT-Battelle LLC 为美国能源部科学办公室管理 ORNL。 科学办公室是美国物理科学研究的最大支持者，致力于解决当今时代一些最紧迫的挑战。
