单晶技术有望为下一代锂离子电池带来希望

全球的研究人员正在努力制造能提供更多能量，使用寿命更长且生产成本更低的电池。改进的锂离子电池对于电动汽车的广泛应用至关重要。

挑战很多。电池的简单外观掩盖了它的复杂性，并且控制其中的复杂分子相互作用对于设备正常运行至关重要。持续的化学反应会造成损失，从而限制电池的使用寿命，并影响电池的尺寸，成本和其他因素。

科学家正在研究通过增加镍含量在阴极材料中存储更多能量的方法。与其他关键电池材料（例如钴）相比，镍是锂离子电池制造商的主要产品，因为其成本相对较低，可用性广泛且毒性低。

该论文的通讯作者，PNNL电池研究计划小组负责人杰·肖说：“富含镍的阴极材料具有储存更多能量的真正潜力。” “但是大规模部署一直是一个挑战。”

尽管镍具有广阔的前景，但大量使用会给电池带来问题。材料晶格中的镍越多，阴极的稳定性就越差。高镍含量会增加有害的副反应，损坏材料，并使储存和处理非常困难。

充分利用更多镍的所有益处，同时最大程度地减少弊端，这是一个挑战。

目前，最常见的富镍阴极为多晶形式-许多纳米晶体聚集在一个较大的颗粒中。这些具有用于更快地存储和释放能量的优点。但是多晶有时会在重复循环中分解。这可能会使大部分表面积暴露于电解质中，从而加速由高镍含量引起的有害化学反应并产生气体。这种不可逆转的损坏会导致带有富镍阴极的电池更快失效，并引发安全隐患。

像肖这样的科学家正在尝试通过创建单晶，富镍阴极来规避许多这些问题。PNNL研究人员开发了一种在高温下在熔融盐（氯化钠，普通食盐）中生长高性能晶体的工艺。

与多晶材料相比，单晶有什么优势？考虑在露营时保持食物凉爽。一块固态的冰块融化的速度要比以小块的相同数量的冰块融化的速度慢得多。冰块更能抵抗高温和其他外力的破坏。

这与富含镍的阴极相似：在某些条件下，尤其是当镍含量较高时，小晶体的聚集体比单晶更容易受到周围环境的影响，因为镍易于诱发有害的化学反应。随着时间的流逝，随着重复的电池循环，聚集体最终被粉碎，破坏了阴极的结构。当阴极中的镍含量较低时，这并不是什么大问题；在这种条件下，含镍的多晶阴极可提供高功率和稳定性。但是，当科学家创造出一个镍含量更高的阴极时，这个问题变得更加明显了-这个阴极确实富含镍。

PNNL小组发现了富含镍的单晶阴极破裂的原因之一：这是由于一种称为晶体滑动的过程而导致的，晶体开始破裂，导致微裂纹。他们发现滑行在某些情况下是部分可逆的，并提出了完全避免损坏的方法。

肖说：“有了新的基本原理，我们将能够防止单晶中的滑动和微裂纹。这与多晶形式的损害不同，在多晶形式中，颗粒以不可逆的方式被粉碎。”

事实证明，晶体晶格层内的滑动运动是微裂纹的根源。各个层来回移动，就像洗牌时的纸牌一样。滑行发生在电池充电和放电时-锂离子离开并返回到阴极，每次都使晶体变形过小。在许多循环中，反复滑动会导致微裂纹。

肖的团队了解到，该过程可以通过锂原子的自然作用部分地逆转自身，锂离子在进入晶格时会在一个方向上产生应力，而在离子离开时会在相反方向上产生应力。但是，这两个动作并不能完全相互抵消，随着时间的流逝，会出现微裂纹。这就是为什么单晶最终会失败的原因，尽管它们不会像多晶晶体那样分解成小颗粒。

团队正在采取几种策略来防止滑行。研究人员发现，在4.2伏左右的通用电压下操作电池可以最大程度地减少损坏，同时仍在电动汽车用锂离子电池的正常范围内。该小组还预测，即使在较高电压下，将单晶尺寸保持在3.5微米以下也可以避免损坏。研究小组正在探索稳定晶格的方法，以更好地适应锂离子的到达和离开。

研究小组估计，与当今电动汽车中使用的锂离子电池相比，单晶，富含镍的阴极能多消耗25％的能量。