開發(fā)一種充電速度與給汽車加滿汽油一樣快的電動汽車電池的關(guān)鍵在于其材料。

高鎳層狀氧化物陰極材料有可能使電動汽車電池充電更快、續(xù)航更遠(yuǎn)、續(xù)航時間更長?，F(xiàn)在，由愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員了解到，由名為NMC811(80%鎳、10%錳、10%鈷)的富鎳材料制成的陰極可以保持更長的壽命和更好的性能。雖然它不是一種獨(dú)特的新化學(xué)物質(zhì)，但NMC811可以提供一條獲得更好性能的途徑。了解它的屬性將是關(guān)鍵。

世界正處于電動汽車的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2022年，美國人購買的新車中有5.8%是電動汽車，高于2021年的3.2%，電動汽車總銷量首次突破80萬輛。但困擾該行業(yè)的一個挑戰(zhàn)是開發(fā)一種可以在10到15分鐘內(nèi)反復(fù)充電的電池。極端快速充電給電池的每個組件都帶來了巨大壓力，化學(xué)、材料和電極工程方面的差異可能會對性能產(chǎn)生重大影響。

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鋰離子電池通過將離子通過其電解質(zhì)從陰極移動到陽極來提供能量。雖然研究人員開始更好地了解陽極上的鋰電鍍，但他們對極端快速充電對陰極的影響知之甚少?，F(xiàn)在，由TanvirTanim領(lǐng)導(dǎo)的INL研究人員在2022年6月號的AdvancedEnergyMaterials上發(fā)表了一篇文章《全面了解極端快速充電對高鎳NMC陰極的老化影響》。這篇文章解釋說，隨著電池行業(yè)轉(zhuǎn)向鎳含量更高的陰極，我們需要全面了解材料在極端快速充電過程中可能會如何降解。

該團(tuán)隊(duì)的研究詳細(xì)描述了NMC811在不同快速充電條件下的老化行為，最極端的情況相當(dāng)于超過200,000英里的行駛里程。該論文將NMC811的性能與NMC532(50%鎳、30%錳、20%鈷)進(jìn)行了比較，NMC532是五年多前開始研究時電池中更主要的材料。

在不同的快速充電速率下，INL領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)使用一系列電化學(xué)技術(shù)來評估充電35%至100%的電池單元。這些研究的重點(diǎn)是失效機(jī)制，包括顆粒在循環(huán)過程中如何機(jī)械斷裂。為了了解在不同的循環(huán)條件下發(fā)生了多少裂紋，研究人員使用先進(jìn)的掃描電子顯微鏡技術(shù)來檢查顆粒的結(jié)構(gòu)。

Tanim表示，比較這兩種正極材料，他們感到驚訝的是，盡管NMC811顯示出更大的亞表面降解，但它顯示出優(yōu)于NMC532的循環(huán)壽命性能。他將此部分歸因于NMC811中的分子排列方式可以創(chuàng)造更自由的鋰離子通路。NMC811還具有比NMC532更高的電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，提高了電池在重復(fù)使用時可以保持的電量。

此外，NMC811表現(xiàn)出較慢的阻抗增長。阻抗是內(nèi)阻的量度，它很重要，因?yàn)楦唠娮钑?dǎo)致電池升溫，從而降低電壓并降低電池容量，直至無法使用。低阻抗電池可按需提供高電流。

總的來說，與鎳含量較低的品種相比，NMC811顯示出更高的比能——在一個放電周期中可以從電池獲得的電能除以單個電池的質(zhì)量——以及更好的導(dǎo)電性。由于鈷的數(shù)量有限且價格昂貴，NMC811較低的鈷含量也意味著成本較低。

在國家實(shí)驗(yàn)室完成的研究交給美國能源部，與科學(xué)界、電池開發(fā)商和汽車行業(yè)共享?！耙恍┢囍圃焐桃呀?jīng)開始在陰極上使用NMC811，這使得這項(xiàng)研究尤為重要，”Tanim說。

Tanim表示，晶粒取向和結(jié)構(gòu)對單粒子性能的復(fù)雜影響將是未來工作的重點(diǎn)。然而，總的來說，研究團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，由NMC811制成的陰極可能更適合可在10到15分鐘內(nèi)充電的電動汽車電池?！癗MC811將為優(yōu)化高能和功率電池提供更大的靈活性，”該論文稱。

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