蓋世汽車訊 現(xiàn)在，電動汽車銷量激增，對鈷金屬的需求也隨之增長。據(jù)外媒報道，韓國漢陽大學（Hanyang University）和美國太平洋西北國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory）的研究人員證實，在不使用鈷的情況下制造高性能層狀正極，或將有助于開發(fā)更可持續(xù)、低成本的鋰離子電池解決方案。
到目前為止，從鋰離子電池的層狀正極中去除鈷，極具挑戰(zhàn)性。因為使用少量的鈷，即可明顯改善正極的結構穩(wěn)定性。同時，可以加快鋰離子插層動力學，提高電池的性能。為了解決這一問題，研究人員一直在探討由Li(NixMn1-x)O2制成的正極。
以往研究顯示，Li(Ni0.5Mn0.5)O2無鈷正極具有循環(huán)穩(wěn)定性，但無法為電動汽車提供充足的容量。研究人員嘗試通過增加Li(Ni0.5Mn0.5)O2正極中的鎳含量來提升容量，但未取得明顯效果。因為不使用鈷的話，很難從主體結構中提取鋰。
在這項研究中，研究人員將正極的工作電壓從4.3 V提高到4.4 V，以從Li(Ni0.9Mn0.1)O2中提取更多的鋰，同時提高電池在最高工作電壓下的能量密度和功率密度。為了使鋰離子電池在4.4V（最高工作電壓）下保持穩(wěn)定，需要重新設計電池的正極微結構和電解質。
研究人員Chong S. Yoon教授表示：“加入具有高氧化態(tài)（Mo、W、Sb、Ta等）的摻雜劑，可以細化初級粒徑并穩(wěn)定脫鋰主體結構。研究人員采用一種啟發(fā)式方法，以確定摻雜1 mol% Mo的(Ni0.9Mn0.1)O2正極可以獲得最佳性能。另外，在常規(guī)電解質中添加氟代碳酸乙烯酯，可以在4.4 V下強化電解質，保護正極表面免受電解質侵蝕。1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2循環(huán)1000次，可保留86%的初始容量，滿足所需的電池壽命。”
對于在4.4 V下運行的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極來說，主要問題在于容量隨著時間的推移而下降（所有基于富鎳層狀正極的可充電電池都存在這一問題）。為了確保電池壽命，為設備提供合理時間的動力，首先必須解決容量衰減的問題。
Yoon表示：“在4.4V下，1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在很大程度上，這要歸功于粒度細化和陽離子有序化。通過高溫熱處理，可以將氫氧化物前體轉化為Li(Ni0.9Mn0.1)O2。而在高溫熱處理過程中，Mo6+離子傾向于沿粒子間邊界分離并抑制晶粒生長。通過偏轉電荷端附近因晶格突然收縮產生的裂紋，這種超細結構正極中的晶界增加了斷裂韌性。”
這種正極中的晶界，可以充當鋰離子快速擴散的途徑。因為消除了由于其構成而產生的局部不均勻性，可以抑制晶內斷裂。通過加入Mo6+，該團隊以一種特定的方式在正極中排列陽離子（即混合Li和Ni離子）。這種獨特的設計穩(wěn)定了正極結構，即使是在由于鋰離子不均勻提取，正極處于最易受損的時候。
Yoon表示：“研究表明，開發(fā)高性能無鈷層狀正極并不是難以實現(xiàn)的目標。此次提出的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極可在高壓下運行，是一種具有經濟效益的解決方案，以目前的制造技術是可以實現(xiàn)的。此外，通過闡明鈷在從主體結構中提取鋰離子過程中的內在作用，這項工作為選擇三級摻雜元素提供了材料設計準則，以確保無鈷層狀正極的結構和機械耐久性。”
這項研究提出的正極設計和構成可以指導未來的研究工作，以提高富鎳層狀正極的總體性能。此外，這項工作可能為開發(fā)高性能無鈷電池技術鋪平道路，從而提高可持續(xù)性和成本效益。Yoon表示：“對于續(xù)航里程長、安全性更高的高性能電動汽車來說，下一代鋰離子電池很可能是具有富鎳無鈷正極的全固態(tài)電池（ASSB）。目前，研究人員正在探討將所提出的無鈷正極應用于ASSB的可能性。”
到目前為止，從鋰離子電池的層狀正極中去除鈷，極具挑戰(zhàn)性。因為使用少量的鈷，即可明顯改善正極的結構穩(wěn)定性。同時，可以加快鋰離子插層動力學，提高電池的性能。為了解決這一問題，研究人員一直在探討由Li(NixMn1-x)O2制成的正極。
以往研究顯示，Li(Ni0.5Mn0.5)O2無鈷正極具有循環(huán)穩(wěn)定性，但無法為電動汽車提供充足的容量。研究人員嘗試通過增加Li(Ni0.5Mn0.5)O2正極中的鎳含量來提升容量，但未取得明顯效果。因為不使用鈷的話，很難從主體結構中提取鋰。
在這項研究中，研究人員將正極的工作電壓從4.3 V提高到4.4 V，以從Li(Ni0.9Mn0.1)O2中提取更多的鋰，同時提高電池在最高工作電壓下的能量密度和功率密度。為了使鋰離子電池在4.4V（最高工作電壓）下保持穩(wěn)定，需要重新設計電池的正極微結構和電解質。
研究人員Chong S. Yoon教授表示：“加入具有高氧化態(tài)（Mo、W、Sb、Ta等）的摻雜劑，可以細化初級粒徑并穩(wěn)定脫鋰主體結構。研究人員采用一種啟發(fā)式方法，以確定摻雜1 mol% Mo的(Ni0.9Mn0.1)O2正極可以獲得最佳性能。另外，在常規(guī)電解質中添加氟代碳酸乙烯酯，可以在4.4 V下強化電解質，保護正極表面免受電解質侵蝕。1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2循環(huán)1000次，可保留86%的初始容量，滿足所需的電池壽命。”
對于在4.4 V下運行的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極來說，主要問題在于容量隨著時間的推移而下降（所有基于富鎳層狀正極的可充電電池都存在這一問題）。為了確保電池壽命，為設備提供合理時間的動力，首先必須解決容量衰減的問題。
Yoon表示：“在4.4V下，1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在很大程度上，這要歸功于粒度細化和陽離子有序化。通過高溫熱處理，可以將氫氧化物前體轉化為Li(Ni0.9Mn0.1)O2。而在高溫熱處理過程中，Mo6+離子傾向于沿粒子間邊界分離并抑制晶粒生長。通過偏轉電荷端附近因晶格突然收縮產生的裂紋，這種超細結構正極中的晶界增加了斷裂韌性。”
這種正極中的晶界，可以充當鋰離子快速擴散的途徑。因為消除了由于其構成而產生的局部不均勻性，可以抑制晶內斷裂。通過加入Mo6+，該團隊以一種特定的方式在正極中排列陽離子（即混合Li和Ni離子）。這種獨特的設計穩(wěn)定了正極結構，即使是在由于鋰離子不均勻提取，正極處于最易受損的時候。
Yoon表示：“研究表明，開發(fā)高性能無鈷層狀正極并不是難以實現(xiàn)的目標。此次提出的1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2正極可在高壓下運行，是一種具有經濟效益的解決方案，以目前的制造技術是可以實現(xiàn)的。此外，通過闡明鈷在從主體結構中提取鋰離子過程中的內在作用，這項工作為選擇三級摻雜元素提供了材料設計準則，以確保無鈷層狀正極的結構和機械耐久性。”
這項研究提出的正極設計和構成可以指導未來的研究工作，以提高富鎳層狀正極的總體性能。此外，這項工作可能為開發(fā)高性能無鈷電池技術鋪平道路，從而提高可持續(xù)性和成本效益。Yoon表示：“對于續(xù)航里程長、安全性更高的高性能電動汽車來說，下一代鋰離子電池很可能是具有富鎳無鈷正極的全固態(tài)電池（ASSB）。目前，研究人員正在探討將所提出的無鈷正極應用于ASSB的可能性。”
