“科学家发现稳定正极材料的新做法 防止电池降解和安全问题”

据世界汽车新闻报道，由美国能源部布鲁克海文国家研究所( brookhaven national laboratory )化学家率领的研究小组，探讨了正极材料中的价态梯度( valence gradient )这一特征，并提出了对电池性能的 结果表明，价态梯度作为稳定高镍正极结构的新方法，可以防止分解和安全问题的发生。

(照片来源:布鲁克海文国家研究所)

镍正极容量高，与现有电池材料相比，可以为电动汽车提供更长的续航距离。 但是，在电池循环中，如果镍含量高，正极材料会更快地分解，产生裂纹和稳定性问题。 为了处理这些结构性问题，科学家们合成了具有镍浓度梯度的材料。 在这种材料中，镍的含量从表面到中心(或整体)逐渐变化。 虽然这些材料表现出了极其的稳定性，但是不清楚这是否只是由浓度梯度引起的。 如以前所说，浓度梯度与被称为价态梯度的另一效果分不开。 也就是说，镍的氧化状态从材料表面向主体逐渐变化。

在布鲁克海文研究所领导的这项新研究中，氩国立研究所( argonne national laboratory )的化学家们合成了独特的材料，从浓度梯度中分离出了价梯度。 第一人若开林说:“我们采用了非常独特的材料，其中只有镍的价态梯度，没有镍的浓度梯度。 在正极材料中，3种过渡金属从表面到整体浓度相同，但镍的氧化状态发生了变化。 在合成过程中，通过控制材料的烧成时间等实现了这些性能。 烧成时间充足时，锰和氧的结合强度更高，氧进入材料中心，维持表面的ni2+氧化状态，形成价态梯度。 ”

化学家们成功合成了具有独立价态梯度的材料后，布鲁克海文研究所的研究人员利用位于美国能源部布鲁克海文研究所的两个科学办公室的客户设施——国家同步加速器光源ii(NSLS-ii )和功能纳米材料中心) cfn )研究了其性能

在超高亮度x射线光源nsls-ii中，研究小组利用两个尖端实验站——硬x射线纳米探针( hxn )束流线和全x射线图像摄影) fxi )束流线。 综合利用这两种光束线，可以使电池进行多循环运转后，用3d法注意样品中的原子级结构和化学组成。

hxn束线首席科学家yong chu说:“两种束线都有世界领先的能力，所以不能在其他地方进行这项研究。 fxi是世界上最快的纳米光束，比同类设施快10倍左右。 hxn相当慢，但更敏感，是世界上分辨率最高的x射线图像束。 ”。

hxn束线科学家小景浩说:“hxn通常在多模态模式下进行测量。 这意味着可以收集多个信号。 本研究利用荧光信号和植物图像信号( phytography signal )在纳米尺度上重建样品的3d模型。 荧光通道提供元素分布，可以验证样品的组成和均匀性。 植物图像频道提供了高分辨率结构的新闻，可以完全显示样品中的微裂纹。 ”。

然后，在fxi中，“该光束线表示该材料中价态梯度是如何存在的。 我们以非常高的数据收集率进行了全帧成像。 因为这可以研究很多地区，增加统计可信度。 ”

cfn电子显微镜设施采用先进的透射电子显微镜( tem )，以超高分辨率关注样品。 与x射线研究相比，tem只能检测出样品中的极小部分区域。 这是因为对整个样本的统计可靠性很低，但相关数据也更详细更直观。

研究人员结合从各设备收集的数据，确认了价格梯度在电池性能中起着重要的作用。 价梯度可以“隐藏”材料中心容量更大但不太稳定的镍区，只能暴露材料表面结构更稳定的镍。 这个重要的序列抑制了裂缝的形成。

该研究强调了浓度梯度材料对电池性能的积极影响。 然后提出了新的互补方法，通过价态梯度稳定高镍正极材料。 研究人员表示:“这些发现对未来的新材料合成和正极材料设计具有重要的指导意义。 在今后的研究中应用那个。 ”