12月11日，Science期刊發(fā)表了一份來(lái)自太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory，PNLL）的研究成果，其根本原理在于降低鋰電富鎳陰極中多晶體的含量，繼而用單晶鎳來(lái)改善目前鋰電池的缺點(diǎn)。https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313.full

多晶陰極破碎失效示意圖

鎳的成本相對(duì)較低、毒性也低（對(duì)比鈷），因此成為目前商用三元正極的主力材料。但鎳含量越高，正極的穩(wěn)定性就越差，這是由于富鎳陰極多為多晶形式存在，循環(huán)過(guò)程中多晶分解會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)放氣等失效和安全隱患問(wèn)題。而破壞單晶結(jié)構(gòu)會(huì)更難，這也意味著電池材料的穩(wěn)定性更好。當(dāng)富鎳陰極從多晶轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Ш螅瑹o(wú)疑可以使鎳含量增加更多，從而提升正極性能。

但是單晶結(jié)構(gòu)也并非沒(méi)有問(wèn)題，PNLL研究小組發(fā)現(xiàn)晶體晶格層間滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致微裂紋的發(fā)生。充放電過(guò)程中，離子進(jìn)入和離開晶格時(shí)會(huì)產(chǎn)生相反的應(yīng)力，隨著時(shí)間推移就會(huì)出現(xiàn)微裂紋，盡管不會(huì)像多晶體一樣分解，這仍會(huì)導(dǎo)致失效。

NMC76單晶正極電鏡掃描圖像 紅色箭頭顯示了單晶內(nèi)部的滑動(dòng)

解決方案

首先，研究人員開發(fā)了高溫熔鹽法，在氯化鈉中生長(zhǎng)高性能單晶正極。其次，研究人員發(fā)現(xiàn)，在普通電壓（約4.2伏）下操作電池可以將損壞降至最低，同時(shí)仍可滿足電動(dòng)汽車的應(yīng)用需求。研究小組還預(yù)測(cè)，將單晶尺寸控制在3.5微米以下，即使在更高的電壓下也能避免損壞。研究小組正在探索穩(wěn)定晶格的方法，以更好地適應(yīng)充放電時(shí)鋰離子的進(jìn)入和離開。

而新一代富鎳單晶陰極的開發(fā)，會(huì)實(shí)現(xiàn)比目前電動(dòng)汽車使用的鋰離子電池至少多出25%的能量。