“锂离子电池之父”用他的发明解决了持续40年的问题

改进的锂离子电池长期容量

锂离子电池的“开国之父”使用SNS中子,确认阴极材料(蓝色)包覆无锂氧化铌(浅绿色),大大降低了一次循环容量损失,提高了长期容量。信贷:吉尔Hemman / ORNL

20世纪70年代末,m·斯坦利·惠廷汉姆(M. Stanley Whittingham)是第一个描述可充电锂离子电池概念的人,他因这一成就分享了2019年诺贝尔化学奖。yabovip2021然而,即使是他也没有预料到,当这些电池为世界上的便携式电子设备提供动力时,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,高达五分之一的能量容量就会损失。无论电池是安装在笔记本电脑、相机、手表,还是一辆新的电动汽车上,都是如此。

原因是在富镍阴极上形成的杂质——电池的正(+)面,通过它储存的能量被释放。

为了找到一种保持失去的容量的方法,惠廷汉姆带领了一组研究人员,包括他来自宾厄姆顿纽约州立大学的同事和能源部布鲁克海文(BNL)和橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家。该团队使用x射线和中子来测试一种领先的阴极材料——一种被称为NMC 811的层状镍锰钴材料——与一种不含锂的氧化铌处理是否会产生更持久的电池。

“Nb在锂离子电池的富镍层状氧化物阴极中的作用是什么?””出现在ACS能源字母

火神

Vulcan专为变形,相变,残余应力,质地和微观结构研究而设计。装载框架,炉子,电池充电器和其他用于原位和时间分辨测量的辅助设备集成到仪器中。作为世界上最强烈的脉冲,基于加速器的中子源的飞行时间衍射仪,Vulcan提供了快速的体积映射,采样体积为2-600毫米3.一般工程材料的测量时间为分钟。在极端情况下,VULCAN能够研究亚秒时间内的动力学行为。来源:美国能源部

“我们在预测氧化锂氧化铌后测试了在层状氧化物阴极材料上的NMC 811将形成将形成锂离子的纳米锂铌氧化物涂层并允许它们渗透到阴极材料中,”哈茨哈姆表示由Suny Binghamton领导的DOE能源前沿研究中心,Suny杰出教授和东北中心的董事。

锂电池的阴极由锂和富镍氧化物材料(至少含有一种氧的化合物)交替层组成原子),因为镍相对便宜,有助于以较低的成本提供更高的能量密度和更大的存储容量。

但是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,在第一次充放电循环中,电池的存储容量减少了10-18%。镍还会导致阴极结构内部的不稳定性,在延长的充放电期间进一步降低存储容量。

散裂中子源

SNS通过一个基于加速器的系统产生中子,该系统通过一种叫做散裂的过程向一个充满液体水银的钢靶发送短(微秒)的质子脉冲。这些中子随后被导向最先进的仪器,为包括物理、化学、生物学和材料科学在内的广泛学科的研究人员提供各种能力。yabovip2021yabo124来源:美国能源部

为了了解铌如何影响富镍阴极材料,科学家们在ORNL的散裂中子源(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nmc811和铌修饰样品的中子衍射图。

NECCES电池设施经理Zhou Hui表示:“中子很容易穿透阴极材料,揭示了铌和锂原子的位置,这提供了更好的了解铌改性过程是如何工作的。”“中子散射数据表明,铌原子稳定了表面,减少了第一次循环损失,而在较高的温度下,铌原子取代了阴极材料内部更深的一些锰原子,以提高长期容量的保留。”

实验结果表明,第一循环能力损失的降低和改善的长期容量保持超过250个电荷放电循环。

Whittingham说:“电化学性能和结构稳定性的改善使铌修饰NMC 811成为更高能量密度应用的候选正极材料,比如电动汽车。”“结合铌涂层和铌原子取代锰原子可能是增加初始容量和长期容量保留的更好的方法。使用目前NMC材料的多步骤制造工艺,这些修改可以很容易地进行放大。”

惠廷汉姆补充说,这项研究支持了Battery500财团,这是一个由美国能源部太平洋西北国家实验室为能源部能源效率和可再生能源办公室领导的多机构项目。该项目正致力于开发下一代锂金属电池,其功率最高可达每公斤500瓦时,而目前的平均功率约为每公斤220瓦时。

108 .《铌在锂离子电池用富镍层状氧化物阴极中的作用》辛凤霞,周慧,宗彦旭,Mateusz Zuba,陈燕,Natasha A. Chernova,白建明,Ben Pei, Anshika Goel, Jatinkumar Rana, Wang Feng, Ke An, Louis F. J. Piper, Guangwen Zhou, M. Stanley Whittingham, 2021年3月18日,ACS能源字母
DOI: 10.1021 / acsenergylett.1c00190

这项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的国家同步加速器光源II (NSLS-II)和ORNL的散裂中子源的资源。

SNS和NSLS-II是DOE科学用户设施办公室。UT-BATTELLE LLC管理ORNL ornl为DOE科学办公室。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大基本研究支持者,正在努力解决我们时代最紧迫的挑战。

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