據(jù)外媒報(bào)道，由美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）化學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，探討正極材料中一種名為價(jià)態(tài)梯度（valence gradient）的特性，以了解其對(duì)電池性能的影響。結(jié)果顯示，價(jià)態(tài)梯度可以作為穩(wěn)定高鎳正極結(jié)構(gòu)的一種新方法，防止出現(xiàn)降解和安全問題。
?。▓D片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室）
高鎳正極具有高容量，比起現(xiàn)有電池材料，可以為電動(dòng)汽車提供更長的續(xù)航里程。然而，在電池循環(huán)過程中，鎳含量高也會(huì)導(dǎo)致正極材料更快地降解，出現(xiàn)裂縫和穩(wěn)定性問題。為了解決這些結(jié)構(gòu)性問題，科學(xué)家們合成了具有鎳濃度梯度的材料。在這種材料中，從表面到中心（或整體）的鎳含量逐漸發(fā)生變化。這些材料表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性，但無法確定這是否僅僅是由濃度梯度引起的。傳統(tǒng)上，濃度梯度與另一種稱為價(jià)態(tài)梯度的效應(yīng)是分不開的，也就是鎳的氧化態(tài)從材料表面到本體的逐漸變化。
在這項(xiàng)由布魯克海文實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的新研究中，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的化學(xué)家們合成了一種獨(dú)特的材料，將價(jià)態(tài)梯度從濃度梯度中分離出來。主要研究人員Ruoqian Lin表示：“我們使用一種非常獨(dú)特的材料，其中只有鎳價(jià)態(tài)梯度，而沒有鎳濃度梯度。在正極材料中，三種過渡金屬從表面到整體的濃度都相同，但是鎳氧化態(tài)發(fā)生變化。在合成過程中，我們通過控制材料的煅燒時(shí)間等因素來實(shí)現(xiàn)這些性能。在煅燒時(shí)間充足的情況下，錳和氧之間的結(jié)合強(qiáng)度更高，從而推動(dòng)氧進(jìn)入材料核心部位，同時(shí)保持表面的Ni2+氧化態(tài)，形成價(jià)態(tài)梯度。”
在化學(xué)家們成功合成具有獨(dú)立價(jià)態(tài)梯度的材料后，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用美國能源部位于布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的兩個(gè)科學(xué)辦公室用戶設(shè)施——國家同步加速器光源II（NSLS-II）和功能納米材料中心（CFN）來研究其性能。
在超亮X射線光源NSLS-II，研究小組利用兩個(gè)尖端實(shí)驗(yàn)站——硬X射線納米探針（HXN）光束線和全場X射線成像（FXI）光束線。通過綜合利用這兩種光束線，研究人員能夠在電池運(yùn)行多個(gè)周期后，以3D方式觀察樣品中的原子級(jí)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。
HXN光束線的首席科學(xué)家Yong Chu表示：“這兩種光束線都具有世界領(lǐng)先的能力，你無法在其他地方進(jìn)行這項(xiàng)研究。FXI是全球最快的納米光束，比同類設(shè)施要快十倍左右。HXN慢得多，但更敏感，是世界上分辨率最高的X射線成像光束。”
HXN光束線科學(xué)家Xiaojing Huang表示：“在HXN，我們通常以多模態(tài)模式進(jìn)行測量，這意味著我們可以同時(shí)收集多個(gè)信號(hào)。在本項(xiàng)研究中，我們利用熒光信號(hào)和植物圖譜信號(hào)（phytography signal），在納米尺度上重建樣品的3D模型。熒光通道能夠提供元素分布，從而驗(yàn)證樣品的組成和均勻性。植物圖譜通道提供高分辨率結(jié)構(gòu)信息，可以完整顯示樣品中的微裂縫?！?/p>
同時(shí)，在FXI，“該光束線顯示，在這種材料中，價(jià)態(tài)梯度是如何存在的。我們以非常高的數(shù)據(jù)采集率進(jìn)行全幀成像，因此能夠研究多個(gè)區(qū)域，并提升統(tǒng)計(jì)可靠性?！?/p>
在CFN電子顯微鏡設(shè)施，研究人員使用先進(jìn)的透射電子顯微鏡 （TEM） ，以超高分辨率觀察樣品。與X射線研究相比，TEM只能探測到樣品中很小的一部分區(qū)域，因此對(duì)整個(gè)樣品的統(tǒng)計(jì)可靠性較低，但是相關(guān)數(shù)據(jù)也更加詳細(xì)直觀。
研究人員結(jié)合從各個(gè)設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)價(jià)態(tài)梯度在電池性能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。價(jià)態(tài)梯度可以“隱藏”材料中心電容更大但不太穩(wěn)定的鎳區(qū)域，只暴露材料表面結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的鎳。這種重要的排列抑制了裂縫的形成。
這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)，濃度梯度材料對(duì)電池性能產(chǎn)生的積極影響。同時(shí)，提出新的互補(bǔ)性方法，通過價(jià)態(tài)梯度來穩(wěn)定高鎳正極材料。研究人員表示：“對(duì)于未來的新型材料合成和正極材料設(shè)計(jì)來說，這些發(fā)現(xiàn)具有非常重要的指導(dǎo)意義。我們將在以后的研究中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。”