单晶技术为下一代锂离子电池带来了希望

美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的科学家报告了如何使富镍单晶正极材料更牢固、更高效的新发现。该研究小组在正极上的研究成果，发表在2020年12月11日的《Science》杂志上。全球各地的研究人员正在努力制造出大容量、长寿命、低成本的电池。提高锂离子电池性能对于电动汽车普及至关重要。关键在于降低电池内部的副反应，延长电池寿命，从而改善电池的尺寸和成本等因素。

使用富镍正极，可以提高电池的容量。与金属钴等其他关键电极材料相比，金属镍成本更低、更易得且低毒，因此有望实现大规模应用。并且通过提高富镍正极中的镍含量，可以增加正极容量。然而，富镍正极材料晶格中的镍越多，正极就越不稳定，不利的副反应也会增加，导致材料损坏，且储运非常困难。最大限度发挥镍的作用，尽量抑制其缺点也是一项挑战。目前最常见的富镍正极材料为多晶形态——众多纳米晶体聚集成一个大颗粒，其优点是充放电更快，但在重复循环过程中，多晶有时会破裂。随着电极暴露在电解质中的面积扩大，高镍引起的副反应加速，并形成气体。富镍正极材料这种不可逆的损坏将加速电池失效，并增加安全隐患。

PNNL研究人员开发了一种在高温熔融食盐中生长高性能晶体的工艺，通过制造富镍的单晶正极材料来避开这些问题。与多晶材料相比，单晶的优势是什么？不妨想象露营时利用冰块冷藏食物的方法。融化一大块冰比融化同样数量的小冰块慢得多；大冰块经得起更高的温度和其他外部力量的破坏。富镍正极材料与此类似：在某些条件下，小晶体的集合体比单晶更容易受到周围环境的影响。随着电池充放电次数的增加，多晶体完全被粉碎，正极结构遭到破坏。当正极中的镍含量较低时，镍引起的不利副反应不是很严重，此时含镍的多晶正极材料仍可提供大功率且稳定的性能。然而，一旦镍含量增加，不利的副反应增多，多晶的高镍正极就会出现明显的问题。

PNNL研究小组还找到了单晶富镍正极破裂的原因，叫做晶格滑动过程，在这个过程中，晶体开始破裂，形成微裂纹。他们发现，在某些条件下，这种滑动是部分可逆的，因而提出了预防的方法。基于这一新的基本认识，利用单晶就可预防滑动和微裂纹。研究结果表明，晶体内晶格层的滑动是微裂纹的根源。这些结晶层来回移动，与洗牌类似。滑动发生于电池充放电过程中，锂离子每次脱出-嵌入正极使晶体产生轻微变形。经过多次循环，反复滑动导致微裂纹形成。PNNL研究小组认识到，这个过程可以通过锂原子的自然作用实现部分逆转，当锂离子嵌入晶格时，在某个方向上产生应力，当它们脱出时，则在相反的方向上产生应力。但这两个作用不会彼此完全抵消，随着时间的推移，微裂纹就会形成。这就是为什么单晶最终也会失败的原因，尽管它们不会像多晶一样粉碎。该团队采取几种策略来防止滑动。研究人员发现，在常规电压(约4.2 V)下使用电池(锂离子电池汽车正常使用的范围)，可最大限度地降低损坏。该小组还预测，即使在较高的电压下，将单晶的尺寸保持在3.5 μm 以下也可以避免损坏。

该研究小组估计，与当今电动汽车中使用的锂离子电池相比，富镍单晶正极电池的容量至少增加25%。