一个科学家小组配备布鲁克海文国家实验室和SLAC国家加速器实验室的研究人员已经发现为什么阴极锂离子电池降解以及可能的补救措施。这可能会导致更多的负担得起的和对电动汽车电池性能。
为电动汽车提供可靠性与天然气汽车,他们需要轻量级的、功能强大的电池。锂离子电池是最常见的类型的电池用于电动汽车,但其高昂的成本和有限的寿命限制电动汽车的广泛部署。为了克服这些挑战,许多美国能源部的国家实验室的科学家们正在研究如何改进传统的锂离子电池。
“分层材料相对容易合成,高容量和能量密度,”胡布鲁克海文国家实验室的化学家Enyuan说。
锂钴氧化物,例如,是一个分层材料用作锂离子电池负极很多年了。尽管其成功应用在小能量存储设备(如便携式电子设备,钴的成本和毒性限制其使用在较大的设备。所以研究人员正在研究如何取代钴更安全、更负担得起的元素在不影响材料的性能。
“我们选择nickel-rich分层材料因为比钴镍价格便宜且有毒,”胡锦涛说。“然而,nickel-rich分层材料开始降低电池经过几次充放电循环。我们想确定退化的原因,并提供可能的解决方案。”
阴极材料降低在几个方面。为nickel-rich材料主要问题是能力减弱减少电池的充放电能力后使用。要完全理解这个过程在他们nickel-rich分层材料,团队需要使用几个研究技术从不同的角度评估材料。
“这是一个复杂的材料。其属性可以改变以不同的速率在骑自行车,”胡锦涛说。“我们需要理解在充放电过程中材料的结构变化两种物理原子尺度和化学,涉及许多元素包括镍、钴、锰、氧气,和锂。”
这样做,胡锦涛和他的同事们的物质利用少量的资源特征的研究设施,包括两个国家同步光源同步光源II布鲁克海文和斯坦福线性同步辐射光源。
的结果x光吸收光谱实验布鲁克海文使研究者得出结论的材料有很强的结构没有释放氧气的体积,挑战以前的信仰。相反,研究人员发现,阴极材料的应变和当地的障碍主要是镍。
做进一步调查,研究小组进行了透射x射线显微镜实验在线性,映射出化学分布材料。这创建了一个大型的数据集,所以科学家们应用机器学习来整理数据。
“我们从这个实验的主要结论是,有相当大的尺度镍原子的氧化态粒子,”胡锦涛说。“一些镍粒子内保持一种氧化状态,和可能失效,而镍表面上是不可逆转的减少,降低其效率。”
额外的实验显示小裂缝中形成材料的结构。
“电池的充放电过程中,阴极材料膨胀和收缩,产生压力,”胡锦涛说。“如果可以快速释放,压力就不会导致一个问题,但如果它不能有效地释放,可以形成裂缝。”
科学家们称,他们可能减轻这个问题,合成空心结构的新材料。他们测试和实验证实了这一理论,以及通过计算。向前移动,该小组计划继续开发和描述新材料来提高效率。
“我们在开发周期工作,”Stavitski说。“你开发的材料,然后你描述它了解它的性能。然后你回到合成化学家开发一种先进的材料结构,然后描述一遍。这是一个持续改进途径。”
此外,随着美国能源部实验室继续建立能力,科学家计划完成更高级的实验这些材料。
