由加利福尼亞大學圣地亞哥分校團隊領導的研究人員在“ 自然能源 ”雜志上發表了一篇文章，解釋了導致降低性能的“電壓衰減”的原因，這種“電壓衰減”目前困擾著一類有前途的稱為富鋰NMC(鎳鎂鈷)的正極材料氧化物。

多年來，這些陰極材料作為用于電動車輛的更好的可充電電池的有希望的部件而引起了相當大的關注。

在電池經歷一系列充電 - 放電循環后，其電壓衰減并且其能夠保持的能量以及稍后釋放以供使用也會消失。新的研究解釋了為什么這種情況發生在富含鋰的NMC陰極材料中。特別是，研究人員發現富含鋰的NMC陰極材料中的納米級缺陷或位錯，因為電池在高達4.7伏的電壓范圍內充電。

“位錯是額外的原子層，不適合其他完美周期性的晶體結構，”作為加州大學圣地亞哥分校博士后研究員的首席作者Andrej Singer說。“發現這些位錯是一個很大的驚喜：如果有的話，我們期望額外的原子層以完全不同的方向發生，”現在加入康奈爾大學的辛格說。通過將實驗證據與理論相結合，研究小組得出結論，這種特定類型的位錯的成核導致電壓衰減。

了解電壓衰減的起因后，該團隊表明，對陰極材料進行熱處理可消除大部分缺陷并恢復原始電壓。他們將經過熱處理的陰極放入新電池中，并在高達4.7伏的電壓范圍內進行測試，證明電壓衰減已經逆轉。

雖然用于逆轉缺陷的熱處理方法是勞動密集型的并且不可能擴展，但是基于物理學和材料科學的方法來表征然后解決納米級缺陷為尋找電壓衰減問題的新解決方案提供了希望。

“我們的論文主要是解開導致鋰富集NMC電壓衰減的位錯之謎。我們還沒有解決富鋰NMC中電壓衰減問題的可擴展解決方案，但我們正在取得進展，”加州大學圣地亞哥分校納米工程教授Shirley Meng說。她和加州大學圣地亞哥分校物理學教授Oleg Shpyrko是新自然能源論文的高級作者。

“富鋰NMC陰極材料最嚴重的問題之一就是電壓衰減，”論文作者Minghao Zhang說，他是納米工程博士的最新畢業生。加州大學圣地亞哥雅各布斯工程學院的項目，現在他是博士后研究員。

電壓衰減降低了電池的能量密度，這反過來限制了這些材料的實際應用，盡管它們在初始充電 - 放電循環中具有高能量密度。

“我們的工作首次清楚地表明，富鋰NMC材料結構中的缺陷產生和缺陷積累是電壓衰減的起因，”張說。“根據這一解釋，我們設計了一種熱處理方案，然后表明熱處理消除了散裝結構中的缺陷并恢復了電池輸出電壓。”

固定電池細節

“工程解決方案必須建立在堅實的科學基礎之上。如果你不知道發生了什么，那么你的緩解策略就不那么有效了。我認為這就是阻礙這種材料的因素，”加州大學圣地亞哥分校納米工程教授Shirley Meng表示，指的是在納米尺度上發生的事情長期缺乏明確性，導致這些有希望的陰極材料中的電壓衰減。

Meng，Shpyrko及其各自的實驗室和合作者在對納米尺度的電池進行成像，表征和計算時會非常擅長。他們的綜合專業知識使團隊能夠在充電時從電池的X射線成像數據中獲得前所未有的見解。

“能夠在操作條件和納米級分辨率下直接成像材料和器件的結構是我們設計和發現新功能材料的巨大挑戰之一，”加州大學圣地亞哥分校物理學教授Oleg Shpyrko說。“我們小組在開發新型X射線成像技術方面的努力旨在從根本上理解并最終控制缺陷形成。我們的操作外成像研究表明了減輕下一代儲能材料中電壓衰減的新方法。”

這次合作是加州大學圣地亞哥可持續能源和能源中心跨學科工作的一部分，Shirley Meng擔任主任，Oleg Shpyrko擔任聯合主任。研究在可持續動力和能源中心通過實驗和材料特性，從理論研究一直延伸到校園微電網設備的實際測試。

研究細節

在自然能源論文中，作者寫道：“我們直接在電化學充電過程中捕獲高容量LRLO材料[富鋰NMC陰極]的初級納米粒子中的位錯網絡的成核。基于缺陷形成的發現和第一原理計算，我們確定電壓衰減的起源，使我們能夠設計和實驗證明一種創新的處理方法，以恢復LRLO的電壓。“

該原位布拉格衍射相干成像技術，在阿貢國家實驗室進行的，使研究人員能夠直接圖像電池充電時的納米顆粒的內部。該團隊對這些數據的分析和重建為電池充電時實際發生的情況提供了前所未有的見解。研究人員進行了多項觀察性研究，同時電池材料的充電電壓范圍為4伏至4.7伏。在4.4伏特時，研究人員發現了一系列缺陷，包括邊緣，螺釘和混合位錯。

研究人員還研究了目前商業化的非富鋰NMC材料并發現了缺陷，但顯著減少了; 在非富鋰NMC材料中，4.2伏以上沒有出現新的缺陷。

“通過這份出版物，我們希望為材料科學家開辟一個新的范例，重新思考如何設計和優化這類材料用于儲能。它仍然需要更多的工作和許多來自該領域的貢獻才能最終解決問題，“孟說。她在加州大學圣地亞哥雅各布斯工程學院擔任能源技術的Zable Endowed Chair。

期待固態

Nature Energy論文中描述的研究最終可能為固態電池提供新的陰極材料。許多研究人員，包括孟，認為固態電池是未來最有希望的電池方法之一。例如，富鋰的NMC陰極在高電壓下工作，因此最終可以與固態電解質配對，固態電解質也在高電壓下工作。對固態電池的大部分興趣來自于固態電解質被認為比鋰離子可充電電池中使用的傳統液體電解質更安全的事實。