盖世汽车讯 据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）开发出新设计，可以明显提高锂离子电池的性能，并降低其成本。该设计延续了阿贡数十年来在电池研究领域的创新历史，有望加速电动汽车（EV）和电网储能的普及，帮助实现全球脱碳目标。

（图片来源：阿贡实验室）

双梯度设计

2012年，阿贡研究人员使用新型阴极（正极）材料，大大提高了锂离子电池的能量密度和耐用性，从而推动锂离子电池技术的发展。该团队对阴极颗粒中的镍、锰和钴成分进行了微调，以充分利用这些金属的有益特性。镍能够增加能量密度，但也会使颗粒表面过于活跃。在阿贡的成分梯度设计中，镍浓度从颗粒核心到表面逐渐降低。该理念旨在高压电池运行时最大限度地提高能量密度，并充分减少反应性。高能量密度有助于生产更小、成本更低的电池。

这些阴极颗粒具有当今商用电池典型的层状结构，其中有序金属原子层在电池电极之间形成传输锂离子的通道，从而驱动电池充放电。 阿贡实验室的这一设计已获得专利，并授权给电池和材料制造商。尽管取得了巨大的成功，但该团队最近已开始探索进一步改进设计的方法。

阿贡先进电池技术团队负责人Khalil Amine表示：“要想让电动汽车在全球范围内取代汽油动力汽车，电池必须能够在更高的电压下工作，以提供更多的能量和更长的续航里程。同时，它们必须保持安全性，并降低制造成本。”但是，高压操作往往会导致具有分层有序结构的阴极颗粒破裂，并与电池的电解质发生更多的反应。这会迅速降低阴极的性能，影响电池的容量和寿命，同时增加安全问题。

在最近的研究中，该团队提出的解决方案是，在其成分梯度阴极设计中增加另一个元素。这涉及到制造阴极颗粒，其中的结构逐渐从表面无序材料转变为核心有序层状材料。这些颗粒仍然具有镍、锰和钴的浓度梯度。主要区别在于其表面富含钴，而内部几乎不含钴。

该理念是将不同成分和结构的最佳特征结合到单个颗粒中。无序颗粒表面能够抑制裂纹和反应性，而有序颗粒核心会充分提升离子输运。通过这种方式，阴极在高压下工作时有望实现高容量和稳定性。

展示超颗粒

该团队进行了一系列X射线、电子和成像实验，以表征静止和运行时的新阴极材料。这些测试在阴极、粒子和原子层面上评估这种材料，旨在提供关于其成分、结构和性能的全面图像。这些分析是在阿贡的先进光子源（Advanced Photon Source）和纳米材料中心（Center for Nanoscale Materials），以及美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II（National Synchrotron Light Source II）进行的。

测试证实，该过程成功生产出具有上述结构和成分梯度的阴极颗粒。重要的是，颗粒在高压操作期间保持结构和化学稳定性。阿贡实验室化学研究人员Tongchao Liu表示：“我们证明了无序颗粒表面是不可破坏的，几乎没有反应性或结构应变。”

这种双梯度颗粒比阿贡实验室最初的设计更加耐用。经过500次充放电后，该材料仅损失约2%的存储容量。基于这一发现，该团队预计这种材料有助于实现更长的电池寿命。这种设计减少了阴极材料中钴的总含量。鉴于钴是一种稀缺、昂贵的材料，这一点具有重要意义。成分测量显示，大部分钴位于在颗粒表面。而颗粒内部的钴浓度低于2%，低于最初设计的10-20%。Amine表示：“我们计划将钴含量降至1%，这将有助于提高电池的可持续性。”该团队还发现，这种设计可以提升阴极的耐热能力。对于确保在高压下的安全操作，耐热性十分重要。

这项研究首次将成分和结构梯度结合在单个阴极颗粒中。这有望引领新的阴极研究方向，将不同的结构和成分整合在一起，以提高电池性能。Khalil Amine表示：“这种突破性材料代表了电池的全面改进。它具有更高的存储容量、强大的稳定性和高电压耐热性，并且使用寿命更长。其高能量密度有助于生产更小、成本更低的电池，从而促进电动汽车和电网电池的广泛采用。”