制造更好的鋰離子電池需要同時(shí)處理大量因素，從保持電池的陰極導(dǎo)電和離子導(dǎo)電到確保電池在多次循環(huán)后保持安全。在一項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)中，美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們利用氧化化學(xué)氣相沉積技術(shù)開發(fā)了一種新的陰極涂層，這種技術(shù)可以幫助解決鋰離子電池的這些和其他幾個(gè)潛在問題。阿貢杰出的研究員和電池科學(xué)家哈利勒·阿明說：我們發(fā)現(xiàn)的這種涂層真是一石二鳥。

在這項(xiàng)研究中，首創(chuàng)從鎳錳鈷(NMC)陰極材料中提取粒子，并用一種叫做PEDOT的含硫聚合物將其包裹起來。當(dāng)電池充電和放電時(shí)，這種聚合物為陰極提供一層保護(hù)，使其免受電池電解質(zhì)的傷害。傳統(tǒng)涂層只保護(hù)微米大小的陰極粒子表面，使其內(nèi)部容易開裂。與此不同，PEDOT涂層能夠穿透陰極粒子的內(nèi)部，增加了額外的屏蔽層。此外，雖然PEDOT阻止了電池和電解質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)，但它確實(shí)允許鋰離子和電子的必要運(yùn)輸，這是電池運(yùn)行所需要的。

科學(xué)家們開發(fā)了一種新的電池陰極涂層(藍(lán)色)，可以提高電池的電子和離子導(dǎo)電性，同時(shí)提高電池的安全性和循環(huán)性能。圖片：ArgonneNationalLaboratory

這項(xiàng)研究的第一作者、阿爾貢化學(xué)家徐貴良(GuiliangXu)說：這種涂層基本上對(duì)所有使電池工作的過程和化學(xué)過程都很友好，對(duì)所有可能導(dǎo)致電池退化或故障的反應(yīng)都不友好。這種涂層還能在很大程度上防止另一種導(dǎo)致電池陰極失活的反應(yīng)。在這個(gè)反應(yīng)中，陰極材料轉(zhuǎn)變成另一種形式稱為尖晶石。幾乎沒有尖晶石形成與它的其他性質(zhì)結(jié)合，使這種涂層是一個(gè)非常令人興奮的材料。PEDOT材料還顯示了防止氧釋放的能力，氧釋放是NMC陰極材料在高壓下降解的一個(gè)主要因素。這種PEDOT涂層也被發(fā)現(xiàn)能夠抑制充電過程中的氧氣釋放，這使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，也提高了安全性。

電池科學(xué)家可能會(huì)擴(kuò)大這種涂層的規(guī)模，用于含鎳豐富的nmc電池。這種聚合物已經(jīng)存在了一段時(shí)間，但我們?nèi)匀惑@訝地發(fā)現(xiàn)，它具有所有令人鼓舞的作用。有了這種涂層，研究人員相信，含有nmc的電池要么能以更高的電壓運(yùn)行，從而增加能量輸出，要么壽命更長，或者兩者兼而有之。為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，科學(xué)家們依賴于美國能源部位于阿貢的兩個(gè)科學(xué)用戶設(shè)施：先進(jìn)光子源(APS)和納米材料中心(CNM)。采用原位高能x射線衍射儀在APS的束線11-d-c上進(jìn)行了測量，并在CNM上進(jìn)行了聚焦離子束光刻和透射電鏡觀察，其研究成果發(fā)表在《自然能源》。