美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室开发了一种新型双梯度阴极设计，可提高锂离子电池的性能并降低其成本。有关双梯度工作的论文发表在《自然能源》上。
下一代电池的正极需要更高的工作电压(≥4.5V)，以实现高容量、长循环性和耐热性。目前的正极由于高电压下的结构和电化学应变而无法满足这些要求，导致容量衰减很快。我们在此介绍了一种具有连贯结构的正极，其结构范围从有序到无序框架，具有浓度梯度和可控的 Ni 氧化活性，可以克服现有正极施加的电压上限。这种设计可以在 4.5V 下同时实现高容量和高电压操作而不会出现容量衰减，在高达 4.7 V 的电压下容量衰减几乎可以忽略不计。
多尺度衍射和成像技术表明，无序表面在电化学和结构上是不可破坏的，可防止表面寄生反应和相变。从有序到无序的结构一致性限制了晶格参数的变化，减轻了晶格应变并增强了形态完整性。双梯度设计还显著提高了热稳定性，推动了高性能阴极材料的进步。
—刘等人
这一最新发现延续了阿贡国家实验室数十年来在电池研究领域的领导地位和创新历史。
2012 年，阿贡研究人员开发出一种新型阴极材料，大大提高了锂离子电池的能量密度和耐用性，推动了锂离子电池技术的发展。该团队对阴极颗粒中镍、锰和钴的成分进行了微调，以最大程度地利用这些金属的有益特性。
镍可以增加能量密度，但也会使粒子表面反应性过高。在阿贡国家实验室的设计中，镍浓度从粒子核心到表面逐渐降低，这被称为成分梯度。这个想法是为了在高压电池工作时最大限度地提高能量密度，并最大限度地降低反应性。高能量密度使得生产更小、更低成本的电池成为可能。
阿贡设计已获得专利，并授权给电池和材料制造商。尽管该设计取得了巨大成功，但阿贡团队最近仍开始探索进一步改进它的方法。
高压操作往往会导致具有层状有序结构的阴极颗粒破裂并与电池的电解质发生更多反应。电解质在电池的两个电极之间移动锂离子，将储存的能量转化为电能。这会迅速降低阴极的性能，降低电池的容量和寿命，同时增加安全隐患。
该团队的解决方案是在其组成中添加另一个元素——梯度阴极设计。这涉及制造阴极颗粒，其中结构逐渐从表面的无序材料过渡到核心的有序分层材料。
这些颗粒仍然具有镍、锰和钴的浓度梯度。主要区别在于表面富含钴，而内部几乎不含钴。
这种方法背后的理念是将不同成分和结构的最佳方面结合到一个粒子中。无序的粒子表面将抑制开裂和反应性，而有序的核心将最大限度地提高离子传输。这样，阴极就可以在高电压下工作时实现高容量和稳定性。
该团队进行了一系列 X 射线、电子和成像实验，以表征静止和运行时的新阴极材料。这些测试共同评估了阴极、粒子和原子水平的材料。目的是提供成分、结构和性能的全面图像。这些分析是在阿贡的先进光子源和纳米材料中心以及美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II 进行的。这些都是美国能源部科学办公室的用户设施。
测试证实，该工艺成功生产出具有上述结构和成分梯度的阴极粒子。重要的是，它们表明粒子在高压操作期间保持结构和化学稳定。
我们证明了无序粒子表面是不可破坏的，几乎没有反应性或结构应变。
—刘同超，主要作者
双梯度粒子比阿贡最初的设计更耐用。在对材料进行 500 次充电和放电后，其存储容量仅损失了约 2%。基于这一发现，该团队预计该材料可以支持更长的电池寿命。
该设计减少了阴极材料中钴的总量。这一点很重要，因为钴是一种稀缺且昂贵的材料，其开采会对环境产生不利影响。成分测量显示，大部分钴都在颗粒表面。颗粒内部的钴浓度不到 2%——低于原始设计的 10-20%。
研究小组还发现，这种设计增强了阴极的承受能力
耐热。耐热性对于确保高压下的安全操作至关重要。
这项研究首次将成分和结构梯度结合到单个阴极粒子中。它有望启发新的阴极研究方向，将不同的结构和成分整合在一起，以提高电池性能。
这种突破性材料代表了电池的全面改进。它具有更高的存储容量、强大的稳定性和高电压下的耐热性以及更长的使用寿命。其高能量密度使生产更小、更低成本的电池成为可能，支持电动汽车和电网电池的广泛采用。我们的专利设计和制造工艺已准备好向行业授权。
— 阿贡杰出研究员、阿贡先进电池技术团队负责人 Khalil Amine
这项研究得到了美国能源部车辆技术办公室的支持。
