據(jù)外媒報道，由美國能源部布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）化學家領導的研究團隊，探討正極材料中一種名為價態(tài)梯度（valence gradient）的特性，以了解其對電池性能的影響。結果顯示，價態(tài)梯度可以作為穩(wěn)定高鎳正極結構的一種新方法，防止出現(xiàn)降解和安全問題。
?。▓D片來源：布魯克海文國家實驗室）
高鎳正極具有高容量，比起現(xiàn)有電池材料，可以為電動汽車提供更長的續(xù)航里程。然而，在電池循環(huán)過程中，鎳含量高也會導致正極材料更快地降解，出現(xiàn)裂縫和穩(wěn)定性問題。為了解決這些結構性問題，科學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態(tài)梯度的效應是分不開的，也就是鎳的氧化態(tài)從材料表面到本體的逐漸變化。
在這項由布魯克海文實驗室領導的新研究中，阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的化學家們合成了一種獨特的材料，將價態(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特的材料，其中只有鎳價態(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間等因素來實現(xiàn)這些性能。在煅燒時間充足的情況下，錳和氧之間的結合強度更高，從而推動氧進入材料核心部位，同時保持表面的Ni2+氧化態(tài)，形成價態(tài)梯度?！?/p>
在化學家們成功合成具有獨立價態(tài)梯度的材料后，布魯克海文實驗室的研究人員利用美國能源部位于布魯克海文實驗室的兩個科學辦公室用戶設施——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，研究小組利用兩個尖端實驗站——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行多個周期后，以3D方式觀察樣品中的原子級結構和化學組成。
HXN光束線的首席科學家Yong Chu表示：“這兩種光束線都具有世界領先的能力，你無法在其他地方進行這項研究。FXI是全球最快的納米光束，比同類設施要快十倍左右。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光束線科學家Xiaojing Huang表示：“在HXN，我們通常以多模態(tài)模式進行測量，這意味著我們可以同時收集多個信號。在本項研究中，我們利用熒光信號和植物圖譜信號（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，從而驗證樣品的組成和均勻性。植物圖譜通道提供高分辨率結構信息，可以完整顯示樣品中的微裂縫?！?/p>
同時，在FXI，“該光束線顯示，在這種材料中，價態(tài)梯度是如何存在的。我們以非常高的數(shù)據(jù)采集率進行全幀成像，因此能夠研究多個區(qū)域，并提升統(tǒng)計可靠性?！?/p>
在CFN電子顯微鏡設施，研究人員使用先進的透射電子顯微鏡 （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，因此對整個樣品的統(tǒng)計可靠性較低，但是相關數(shù)據(jù)也更加詳細直觀。
研究人員結合從各個設備收集到的數(shù)據(jù)，從而確認價態(tài)梯度在電池性能中發(fā)揮著關鍵作用。價態(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，只暴露材料表面結構更穩(wěn)定的鎳。這種重要的排列抑制了裂縫的形成。
這項研究強調，濃度梯度材料對電池性能產(chǎn)生的積極影響。同時，提出新的互補性方法，通過價態(tài)梯度來穩(wěn)定高鎳正極材料。研究人員表示：“對于未來的新型材料合成和正極材料設計來說，這些發(fā)現(xiàn)具有非常重要的指導意義。我們將在以后的研究中對其進行應用?！?/p>