研究人員破解了用於電動汽車和電網儲能的鈉離子電池的關鍵問題

鋰離子電池作為電動汽車的首選電源長期以來一直主導市場。它們也越來越多地被考慮用於存儲可用於電網的可再生能源。然而，隨著該市場的快速擴張，預計未來五到十年內鋰的供應短缺。

“鈉離子電池正在成為一種引人注目的替代品由於鈉的儲量更大且成本更低，”美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室的化學家徐貴良說道。

迄今為止，此類電池的商業化仍存在嚴重障礙。特別是含鈉的性能隨著反复放電和充電而迅速下降。

阿貢國家實驗室的一個團隊通過鈉離子氧化物陰極的新設計在解決這一問題方面取得了重要進展。它緊密基於阿貢早期的鋰離子氧化物陰極設計，具有經過驗證的高能量存儲能力和長壽命。該研究是發表在日記中自然納米技術.

這兩種設計的一個關鍵特徵是微觀陰極顆粒含有過渡金屬的混合物，其中可能包括鎳、鈷、鐵或錳。重要的是，這些金屬並未均勻分佈在各個陰極顆粒中。例如，鎳出現在核心；圍繞該核心的是鈷和錳，形成外殼。

這些元素有不同的用途。富含錳的表面使顆粒在充放電循環過程中具有結構穩定性。富含鎳的核心提供高容量的能量存儲。

然而，在測試該設計時，陰極的能量存儲容量在循環過程中穩步下降。該問題可追溯到循環過程中顆粒中裂紋的形成。這些裂紋是由於顆粒的殼和核之間產生的應變而形成的。該團隊試圖通過微調陰極製備方法來消除循環前的壓力。

用於啟動合成過程的前體材料是氫氧化物。除氧和氫外，還含有鎳、鈷和錳三種金屬。該團隊製作了這種氫氧化物的兩種版本：一種是金屬從核心到外殼呈梯度分佈，另一種是三種金屬均勻分佈在每個顆粒中，以進行比較。

為了形成最終產品，該團隊將前體材料和氫氧化鈉的混合物加熱至高達 600°C，在該溫度下保持一段選定的時間，然後冷卻至室溫。他們還嘗試了不同的加熱速率。

在整個處理過程中，團隊監測了顆粒特性的結構變化。該分析涉及使用美國能源部科學辦公室的兩個用戶設施：阿貢國家實驗室的先進光子源（光束線 17-BM 和 11-ID）和美國能源部布魯克海文國家實驗室的國家同步加速器光源 II（光束線 18-ID）。

阿貢光束線科學家 Wenqian Xu 表示：“利用這些設施的 X 射線束，我們可以確定實際合成條件下粒子成分和結構的實時變化。”

該團隊還使用阿貢納米材料中心 (CNM) 進行額外分析，以表徵粒子，並使用阿貢領導計算設施 (ALCF) 的北極星超級計算機將 X 射線數據重建為詳細的 3D 圖像。 CNM 和 ALCF 也是能源部科學辦公室的用戶設施。

初步結果顯示，均勻顆粒中沒有裂紋，但在低至 250°C 的溫度下，梯度顆粒中會形成裂紋。這些裂紋出現在核和核殼邊界處，然後移動到表面。顯然，金屬梯度導致了導致這些裂紋的顯著應變。

“既然我們知道梯度粒子可以產生具有高能量存儲能力的陰極，我們希望找到能夠消除梯度粒子裂紋的熱處理條件，”阿貢博士後任命的左文華說。

事實證明，加熱速率是一個關鍵因素。在每分鐘五度的加熱速率下會形成裂紋，但在每分鐘一度的較慢加熱速率下不會形成裂紋。在使用以較慢速率製備的陰極顆粒的小型電池中進行的測試在 400 多個循環中保持了其高性能。

“在陰極合成過程中防止裂紋在陰極隨後充電和放電時會帶來巨大好處，”徐桂良說。 “雖然鈉離子電池尚不具備足夠的能量密度來為車輛長距離供電，但它們是城市駕駛的理想選擇。”

該團隊目前正在努力消除陰極中的鎳，這將進一步降低成本並更具可持續性。

“未來的前景似乎非常好阿貢傑出研究員哈利勒·阿明 (Khalil Amine) 表示：“這種材料不僅成本低、壽命長，而且能量密度可與目前許多鋰離子電池中使用的磷酸鐵鋰陰極相媲美。這將帶來更可持續、具有良好行駛里程的電動汽車。”