蓋世汽車訊 現(xiàn)在，電動(dòng)汽車銷量激增，對(duì)鈷金屬的需求也隨之增長(zhǎng)。據(jù)外媒報(bào)道，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)（Hanyang University）和美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）的研究人員證實(shí)，在不使用鈷的情況下制造高性能層狀正極，或?qū)⒂兄陂_發(fā)更可持續(xù)、低成本的鋰離子電池解決方案。
到目前為止，從鋰離子電池的層狀正極中去除鈷，極具挑戰(zhàn)性。因?yàn)槭褂蒙倭康拟挘纯擅黠@改善正極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，可以加快鋰離子插層動(dòng)力學(xué)，提高電池的性能。為了解決這一問題，研究人員一直在探討由Li(NixMn1-x)O2制成的正極。
以往研究顯示，Li(Ni0.5Mn0.5)O2無鈷正極具有循環(huán)穩(wěn)定性，但無法為電動(dòng)汽車提供充足的容量。研究人員嘗試通過增加Li(Ni0.5Mn0.5)O2正極中的鎳含量來提升容量，但未取得明顯效果。因?yàn)椴皇褂免挼脑挘茈y從主體結(jié)構(gòu)中提取鋰。
在這項(xiàng)研究中，研究人員將正極的工作電壓從4.3 V提高到4.4 V，以從Li(Ni0.9Mn0.1)O2中提取更多的鋰，同時(shí)提高電池在最高工作電壓下的能量密度和功率密度。為了使鋰離子電池在4.4V（最高工作電壓）下保持穩(wěn)定，需要重新設(shè)計(jì)電池的正極微結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)。
研究人員Chong S. Yoon教授表示：“加入具有高氧化態(tài)（Mo、W、Sb、Ta等）的摻雜劑，可以細(xì)化初級(jí)粒徑并穩(wěn)定脫鋰主體結(jié)構(gòu)。研究人員采用一種啟發(fā)式方法，以確定摻雜1 mol% Mo的(Ni0.9Mn0.1)O2正極可以獲得最佳性能。另外，在常規(guī)電解質(zhì)中添加氟代碳酸乙烯酯，可以在4.4 V下強(qiáng)化電解質(zhì)，保護(hù)正極表面免受電解質(zhì)侵蝕。1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2循環(huán)1000次，可保留86%的初始容量，滿足所需的電池壽命。”
對(duì)于在4.4 V下運(yùn)行的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極來說，主要問題在于容量隨著時(shí)間的推移而下降（所有基于富鎳層狀正極的可充電電池都存在這一問題）。為了確保電池壽命，為設(shè)備提供合理時(shí)間的動(dòng)力，首先必須解決容量衰減的問題。
Yoon表示：“在4.4V下，1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在很大程度上，這要?dú)w功于粒度細(xì)化和陽(yáng)離子有序化。通過高溫?zé)崽幚恚梢詫溲趸锴绑w轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i(Ni0.9Mn0.1)O2。而在高溫?zé)崽幚磉^程中，Mo6+離子傾向于沿粒子間邊界分離并抑制晶粒生長(zhǎng)。通過偏轉(zhuǎn)電荷端附近因晶格突然收縮產(chǎn)生的裂紋，這種超細(xì)結(jié)構(gòu)正極中的晶界增加了斷裂韌性。”
這種正極中的晶界，可以充當(dāng)鋰離子快速擴(kuò)散的途徑。因?yàn)橄擞捎谄錁?gòu)成而產(chǎn)生的局部不均勻性，可以抑制晶內(nèi)斷裂。通過加入Mo6+，該團(tuán)隊(duì)以一種特定的方式在正極中排列陽(yáng)離子（即混合Li和Ni離子）。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)穩(wěn)定了正極結(jié)構(gòu)，即使是在由于鋰離子不均勻提取，正極處于最易受損的時(shí)候。
Yoon表示：“研究表明，開發(fā)高性能無鈷層狀正極并不是難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。此次提出的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極可在高壓下運(yùn)行，是一種具有經(jīng)濟(jì)效益的解決方案，以目前的制造技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的。此外，通過闡明鈷在從主體結(jié)構(gòu)中提取鋰離子過程中的內(nèi)在作用，這項(xiàng)工作為選擇三級(jí)摻雜元素提供了材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以確保無鈷層狀正極的結(jié)構(gòu)和機(jī)械耐久性。”
這項(xiàng)研究提出的正極設(shè)計(jì)和構(gòu)成可以指導(dǎo)未來的研究工作，以提高富鎳層狀正極的總體性能。此外，這項(xiàng)工作可能為開發(fā)高性能無鈷電池技術(shù)鋪平道路，從而提高可持續(xù)性和成本效益。Yoon表示：“對(duì)于續(xù)航里程長(zhǎng)、安全性更高的高性能電動(dòng)汽車來說，下一代鋰離子電池很可能是具有富鎳無鈷正極的全固態(tài)電池（ASSB）。目前，研究人員正在探討將所提出的無鈷正極應(yīng)用于ASSB的可能性。”
到目前為止，從鋰離子電池的層狀正極中去除鈷，極具挑戰(zhàn)性。因?yàn)槭褂蒙倭康拟挘纯擅黠@改善正極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，可以加快鋰離子插層動(dòng)力學(xué)，提高電池的性能。為了解決這一問題，研究人員一直在探討由Li(NixMn1-x)O2制成的正極。
以往研究顯示，Li(Ni0.5Mn0.5)O2無鈷正極具有循環(huán)穩(wěn)定性，但無法為電動(dòng)汽車提供充足的容量。研究人員嘗試通過增加Li(Ni0.5Mn0.5)O2正極中的鎳含量來提升容量，但未取得明顯效果。因?yàn)椴皇褂免挼脑挘茈y從主體結(jié)構(gòu)中提取鋰。
在這項(xiàng)研究中，研究人員將正極的工作電壓從4.3 V提高到4.4 V，以從Li(Ni0.9Mn0.1)O2中提取更多的鋰，同時(shí)提高電池在最高工作電壓下的能量密度和功率密度。為了使鋰離子電池在4.4V（最高工作電壓）下保持穩(wěn)定，需要重新設(shè)計(jì)電池的正極微結(jié)構(gòu)和電解質(zhì)。
研究人員Chong S. Yoon教授表示：“加入具有高氧化態(tài)（Mo、W、Sb、Ta等）的摻雜劑，可以細(xì)化初級(jí)粒徑并穩(wěn)定脫鋰主體結(jié)構(gòu)。研究人員采用一種啟發(fā)式方法，以確定摻雜1 mol% Mo的(Ni0.9Mn0.1)O2正極可以獲得最佳性能。另外，在常規(guī)電解質(zhì)中添加氟代碳酸乙烯酯，可以在4.4 V下強(qiáng)化電解質(zhì)，保護(hù)正極表面免受電解質(zhì)侵蝕。1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2循環(huán)1000次，可保留86%的初始容量，滿足所需的電池壽命。”
對(duì)于在4.4 V下運(yùn)行的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極來說，主要問題在于容量隨著時(shí)間的推移而下降（所有基于富鎳層狀正極的可充電電池都存在這一問題）。為了確保電池壽命，為設(shè)備提供合理時(shí)間的動(dòng)力，首先必須解決容量衰減的問題。
Yoon表示：“在4.4V下，1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在很大程度上，這要?dú)w功于粒度細(xì)化和陽(yáng)離子有序化。通過高溫?zé)崽幚恚梢詫溲趸锴绑w轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)i(Ni0.9Mn0.1)O2。而在高溫?zé)崽幚磉^程中，Mo6+離子傾向于沿粒子間邊界分離并抑制晶粒生長(zhǎng)。通過偏轉(zhuǎn)電荷端附近因晶格突然收縮產(chǎn)生的裂紋，這種超細(xì)結(jié)構(gòu)正極中的晶界增加了斷裂韌性。”
這種正極中的晶界，可以充當(dāng)鋰離子快速擴(kuò)散的途徑。因?yàn)橄擞捎谄錁?gòu)成而產(chǎn)生的局部不均勻性，可以抑制晶內(nèi)斷裂。通過加入Mo6+，該團(tuán)隊(duì)以一種特定的方式在正極中排列陽(yáng)離子（即混合Li和Ni離子）。這種獨(dú)特的設(shè)計(jì)穩(wěn)定了正極結(jié)構(gòu)，即使是在由于鋰離子不均勻提取，正極處于最易受損的時(shí)候。
Yoon表示：“研究表明，開發(fā)高性能無鈷層狀正極并不是難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。此次提出的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極可在高壓下運(yùn)行，是一種具有經(jīng)濟(jì)效益的解決方案，以目前的制造技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的。此外，通過闡明鈷在從主體結(jié)構(gòu)中提取鋰離子過程中的內(nèi)在作用，這項(xiàng)工作為選擇三級(jí)摻雜元素提供了材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以確保無鈷層狀正極的結(jié)構(gòu)和機(jī)械耐久性。”
這項(xiàng)研究提出的正極設(shè)計(jì)和構(gòu)成可以指導(dǎo)未來的研究工作，以提高富鎳層狀正極的總體性能。此外，這項(xiàng)工作可能為開發(fā)高性能無鈷電池技術(shù)鋪平道路，從而提高可持續(xù)性和成本效益。Yoon表示：“對(duì)于續(xù)航里程長(zhǎng)、安全性更高的高性能電動(dòng)汽車來說，下一代鋰離子電池很可能是具有富鎳無鈷正極的全固態(tài)電池（ASSB）。目前，研究人員正在探討將所提出的無鈷正極應(yīng)用于ASSB的可能性。”
