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能为电池阴极提供额外保护的涂层

能为电池阴极提供额外保护的涂层

时 间: 2019-12-10

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摘 要:LEMONT,IL–制造更好的锂离子电池需要同时解决多种难题,诸如从保持电池…

LEMONT, IL – 制造更好的锂离子电池需要同时解决多种难题,诸如从保持电池阴极良好的导电性、离子导电,一直到确保电池在多次循环后的安全性等等。

 

在最近的一项研究中,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家利用氧化化学气相沉积技术开发了一种新的阴极涂层,可以一次性解决锂离子电池的上述问题和其他潜在问题。

 

“我们发明的涂层确实一石多鸟。”阿贡国家实验室杰出的能源科学家Khalil Amine说。

 

在这项研究中,Amine和他的同事们开创性地研究了镍- 锰- 钴(NMC)阴极材料,并将该材料用含硫聚合物PEDOT封装。当电池充电和放电时,该聚合物为阴极提供一层保护,使其免受电池电解质的影响。

 

传统涂层仅保护微米级阴极颗粒的外表面,但其内部仍易于破坏开裂,而新的PEDOT涂层不同,它能够渗透到阴极颗粒的内部,因而增加了一个额外的保护层。

 

此外,虽然PEDOT阻止了电池和电解质之间的化学反应,但它确实可以保证电池内的锂离子和电子之间进行的必要传输,这是电池正常工作所必需的。

 

这项研究的第一作者、化学家Xu Guiliang说:“这种涂层与目前的电池制造工艺相兼容,并且能防止严重的电池出现降解或故障。”

 

该涂层还在很大程度上防止了导致电池阴极失活的另一种反应。在该反应中,阴极材料转化为另一种称为尖晶石的形态。“使用这种神奇的涂层几乎不会导致尖晶石的形成。”Amine说。

 

PEDOT材料还显示出防止氧释放的能力,而后者正是导致NMC阴极材料高电压下降解的主要因素。“这种PEDOT涂层能够抑制充电过程中的氧释放,从而提高结构稳定性并提高安全性,”Amine说。

 

Amine指出,电池科学家会进一步深入研究用于富含镍的NMC电池的涂层。“这种聚合物已经存在了一段时间,但我们仍然惊讶地发现它具有非常的神奇的效果。”他说。

 

随着涂层的应用,研究人员认为含NMC的电池可以在更高的电压下运行-从而增加其能量输出或者具有更长的寿命,或两者兼而有之。

 

为了进行这项研究,科学家们采用阿贡的两个DOE科学实验室:高级光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)。在APS的束线11-ID-C处进行原位高能X射线衍射测量,并且在CNM处进行聚焦离子束光刻和透射电子显微镜检查。

 

《自然能源》5月13日网络版刊登了基于该研究的论文《在层状锂过渡金属氧化物阴极的二次和一次粒子上建立超保形保护层》。其他作者还包括Liu Yuzi,Liu Xiang, Gao Han,Zhuang Minghao,Ren Yang和Chen Zonghai等人。来自德雷克塞尔大学、印第安纳大学-普渡大学印第安纳波利斯和四所中国大学的研究人员也参与了该项目的合作。

 

图片由阿贡国家实验室提供

 

 

 

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