主要电池制造商正在开发的一项前景看好的技术变得更加吸引人，这要归功于研究人员对更好、更持久锂离子电池的一个关键障碍进行了前所未有的研究。
美国能源部西北太平洋国家实验室的科学家们发布了一项新发现，研究如何使富含镍的单晶阴极更坚固、更高效。该团队的研究成果发表在12月11日出版的《科学》(Science)杂志上。阴极是锂离子电池的一个关键组成部分，如今在电动汽车上很常见。
世界各地的研究人员都在努力研发能提供更多能量、使用寿命更长、生产成本更低的电池。改进的锂离子电池对电动汽车的广泛采用至关重要。
挑战是巨大的。电池简单的外观掩盖了它的复杂性，杏耀主管控制内部复杂的分子相互作用对设备的正常运行至关重要。持续不断的化学反应会造成损失，限制电池的使用时间，影响电池的尺寸、成本和其他因素。
富镍阴极的前景:更大的能量容量
科学家们正在研究通过增加镍含量来在阴极材料中储存更多能量的方法。镍之所以被锂离子电池制造商列入计划，很大程度上是因为与钴等其他关键电池材料相比，镍成本相对较低、可获得性广、毒性低。
“富镍阴极材料具有存储更多能量的真正潜力，”该论文的通讯作者、太平洋西北实验室电池研究项目组长肖杰说。“但大规模部署一直是一个挑战。”
虽然镍有很大的潜力，但过量的镍会给电池带来问题。材料晶格中的镍越多，阴极越不稳定。高镍含量会增加不必要的副作用，破坏材料，使储存和处理非常困难。
利用更多镍带来的所有好处同时将缺点最小化是一项挑战。
目前最常见的富镍阴极是多晶的形式——在一个更大的粒子中聚集许多纳米晶体。这些都具有更快地储存和释放能量的优点。但在反复循环过程中，多晶有时会分解。这可能会使大部分表面暴露在电解液中，加速由高镍含量引起的不必要的化学反应并产生气体。这种不可逆的损伤导致电池的富镍阴极失效更快，并引起安全隐患。
由单晶体，冰块和锂离子电池组成
像肖这样的科学家正试图通过创造一种单晶的富镍阴极来回避这些问题。太平洋西北实验室的研究人员开发了一种在熔融盐(氯化钠，普通食盐)中在高温下生长高性能晶体的工艺。
与多晶材料相比，单晶材料的优点是什么?野营的时候，食物要保持凉爽。一块坚固的冰块比同等数量的小冰块融化的速度要慢得多;冰块更能抵抗高温和其他外力的破坏。
这与富镍阴极类似:在某些条件下，小晶体的聚合体比单晶体更容易受到周围环境的破坏，特别是镍含量高的情况下，因为镍容易引起不必要的化学反应。随着时间的推移，经过反复的电池循环，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，这就不是问题;在这样的条件下，含镍的多晶阴极提供了高功率和稳定性。然而，当科学家们制造出镍含量更高的阴极时，这个问题变得更加突出——一个真正富含镍的阴极。
阴极微裂纹可逆，可预防
PNNL团队发现了单晶镍丰富阴极断裂的一个原因:这是由于一个被称为晶体滑动的过程，
杏耀平台 ，在这个过程中晶体开始分裂，导致微裂纹。他们发现滑翔在某些条件下是部分可逆的，并提出了避免破坏的方法。
“有了新的基本认识，我们将能够防止单晶的滑动和微裂纹。这与多晶形式的损伤不同，在多晶形式中，颗粒在一个不可逆的过程中被粉碎，”肖说。
事实证明，晶体晶格层内的滑动运动是微裂纹的根源。这些层来回移动，就像洗牌时一副牌中的卡片。当电池充电和放电时，锂离子离开和返回阴极，晶体的张力每次都非常轻微。经过多次循环后，反复滑动会导致微裂纹。
肖教授的团队了解到，这个过程可以通过锂原子的自然作用部分逆转。锂原子在离子进入晶格时产生一个方向的应力，在离子离开晶格时产生相反方向的应力。但这两种行为并不能完全抵消，久而久之，就会出现微裂纹。这就是为什么单晶体最终会失败，尽管它们不会像多晶体那样分解成小颗粒。
该团队正在研究几种防止滑翔的方法。研究人员发现，在4.2伏特左右的普通电压下运行电池，可以在正常的电动汽车锂离子电池范围内最大限度地减少损坏。研究小组还预测，将单晶的尺寸保持在3.5微米以下，即使在较高的电压下也可以避免损坏。该团队正在探索稳定晶格的方法，以更好地适应锂离子的到来和离开。
研究小组估计，与目前电动汽车使用的锂离子电池相比，杏耀平台总代理这种富含镍的单晶阴极至少能多储存25%的能量。
现在，由肖领导的太平洋西北实验室的研究人员正在与Albemarle公司合作。Albemarle公司是一家主要的特种化学制造公司，也是世界领先的电动汽车电池锂生产商之一。在美国能源部资助的一项合作中，该团队将研究先进锂盐对单晶富镍阴极材料性能的影响，以千克为尺度演示该过程。
