“明确富镍材料的阴极退化原因”

科学家小组，包括美国能源部( doe )布鲁克海文国立研究所和slac国立加速器研究所的研究人员，揭示了锂离子电池正极材料分解的原因和可能的补救措施。 他们的发现于3月7日在高级功能材料上公布，可以为电动汽车开发更经济、性能更好的电池。

寻找高性能阴极材料

电动汽车要想拥有和燃气汽车一样的可靠性，就需要轻量、强力的电池。 锂离子电池是当今电动汽车中最常见的电池类型，但它们昂贵而有限的寿命限制了电动汽车的广泛引进。 为了克服这些课题，美国能源部许多国家实验室的科学家正在研究改进锂离子电池以前流传下来的做法。

虽然电池由阳极、阴极和电解质组成，但许多科学家认为阴极是最紧迫的挑战。 布鲁克海文的研究人员是美国能源部赞助的名为battery500的基金会的一部分，致力于将现在电动汽车的电池能源密度提高三倍。 他们的目标之一是优化被称为富镍层状材料的阴极材料。

这篇论文的作者brookanven化学家enyuan hu认为，由于比较容易合成，分层材料非常有吸引力，但具有高容量和高能量密度，因此:

钴氧化物是作为锂离子电池阴极长年使用的层状材料。 虽然钴在便携式电子产品等小型储能系统中取得了成功，但钴的价格和毒性仍是材料用于大型系统的障碍。 目前，研究者正在研究在不影响材料性能的情况下，用更安全、更经济的元素替换钴的方法。

我们选择了富含镍的层状材料。 因为镍比钴便宜，有毒又荒谬。 但是，如果在电池内多次重复充放电循环，则存在富含镍的层状材料开始劣化的问题。 我们的目标是找出这种退化的原因，并提供可能的处理方案。

明确容量衰减的原因

阴极材料可以通过各种各样的游戏进行分解。 在富镍材料中，容量衰减是首要问题——采用后电池的充放电容量减少。 为了充分理解富镍层状材料的这个过程，科学家需要运用各种研究技术从不同的角度判断材料。

这是很多复杂的材料。 它的特点是在骑自行车时会以不同的长度变化，可以胡说八道。 我们需要知道材料的结构在充放电过程中是如何发生物理尺度-原子尺度-化学变化的。 它含有镍、钴、锰、氧、锂等各种元素。

为此，胡和同事说明了包括两个同步加速器光源——布鲁克海文的国家同步加速器光源ⅱ( NSLS -ⅱ)和slac的斯坦福同步加速器辐射光源) ssrl )在内的许多研究设施的材料。 两者都是美国能源部科学办公室的客户设施。

在该材料的所有长度范围内，从埃到纳米，电池充电-放电的过程中会发生一点点事件。 共同作者、nsls-ii内壳光谱( iss )束线的束线科学家eli stavitski如是说。 我们在国际空站上采用了一种叫做x射线吸收光谱( xas )的技术，揭示了材料中活性金属离子周围环境的原子图。

来自nsls-ii的xas实验结果表明，研究人员得出了该材料具有牢固的结构，不会从大量释放氧气，挑战了以前的信念。 相反，我们发现应变和局部疾病主要与镍有关。

为了进一步研究，该小组用ssrl进行了透射x射线显微镜( txm )实验，绘制了材料中所有的化学分布图。 这项技术产生了大量的数据。 因为这个ssrl的科学家利用机器学习对数据进行分类。

这些实验生成了大量的数据。 这为我们的计算做出了贡献。 共同作者slac工作人员科学家颐金柳说。 人类分解所有这些数据是不现实的。 因此，我们开发了机器学习的做法，用数据检索并评价了它们的位置有问题。 这告诉我们在哪里看到和指导我们的解体。

无稽之谈:由这个实验得出的第一个结论是，整个粒子的镍原子氧化状态有相当大的不均匀性。 粒子内的一点镍有可能在氧化的状态下失活，表面的镍不可逆地减少了效率。

另一个实验表明，材料结构中形成了小裂缝

。

在电池充放电的过程中，阴极材料膨胀或收缩，产生压力，胡说八道。 如果该压力迅速释放，则不会引起问题，但如果不能比较有效地释放，则会产生裂缝。

科学家认为，合成具有中空结构的新材料可以缓解这一问题。 他们通过实验和计算测试并证实了这个理论。 展望未来，该团队将继续开发和表征新材料，提高其效率。

我们在开发周期工作。 stavitski说。 你可以开发这个材料，然后你可以对它做特征，深入了解它的性能。 然后，你回到合成化学家那里开发先进的材料结构，并再次对此进行说明。 这是持续改善的方法。

另外，随着nsls-ii继续加强其功能，科学家们计划利用nsls-ii的超光用这些材料完成更先进的txm实验。

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