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三个能源部国家实验室的科学家们已经发现了如何保持一种有前景的新型锂离子电池阴极不会产生降低其性能的硬壳涂层。解决方案：使用简单的制造技术将阴极材料制成微小的分层颗粒，储存大量能量，同时保护自身免受损坏。

科学家在1月11日发表的一篇名为“ 自然能源”的论文中报道说，在快速充电电动汽车所需的高压下充电和放电时，测试电池中的这种阴极材料的电池性能更好。

“我们能够以防止电池容量快速消退的方式设计表面，”SLAC国家加速器实验室的工作人员科学家和该报告的共同作者Yijin Liu说。结果具有潜在的意义，因为它们为制造更便宜且能量密度更高的锂离子电池铺平了道路。

好镍，坏镍

化学是所有锂离子可充电电池的核心，它通过在电解质溶液中浸泡正极和负极之间的锂离子来驱动便携式电子产品和电动汽车。随着锂离子进入阴极，化学反应产生的电子可以被引导到外部电路以供使用。再充电将锂离子从阴极中拉出并将它们送到阳极。

由镍锰钴氧化物或NMC制成的阴极是电池研究中特别热的领域，因为它们可以在非常小的空间中储存大量能量所需的相对高的电压下操作。

但是，虽然NMC中的镍赋予其高能量储存能量，但它也具有反应性和不稳定性，并且倾向于与电解质发生破坏性副反应。该研究的共同作者布鲁克海文国家实验室的霍林新说，随着时间的推移，这会形成一个阻止锂离子流动的岩盐状外壳。

在这项研究中，研究人员试验了加入镍但保护其免受电解质影响的方法。

保护自己的粒子

由劳伦斯伯克利国家实验室的Marca Doeff领导的团队通过雾化器喷嘴喷射锂，镍，锰和钴的溶液，形成分解形成粉末的液滴。反复加热和冷却粉末引发微小颗粒的形成，这些微小颗粒组装成更大的球形，有时是空心结构。

这种称为喷雾热解的技术便宜，广泛使用并且易于按比例放大用于商业生产。在这种情况下，它做了一些意外的事情。就像在烘焙过程中将自己分成不同层的蛋糕面糊一样，NMC颗粒从其过程中出现，其基本成分被重新分配。

当在SLAC和Brookhaven详细检查阴极颗粒时，新结构变得清晰。在SLAC的Stanford Synchrotron Radiation Lightsource，刘和他的同事用X射线探测了10-20微米或百万分之一米的颗粒。在Brookhaven的功能纳米材料中心，Xin和他的团队使用扫描透射电子显微镜来放大小到十亿分之一米的细节，这个领域被称为纳米尺度。通向更高容量的简单之路

使用这两种技术并且在各种规模下，颗粒具有与原始起始材料不同的结构。例如，当SSRL团队研究材料中的微小三维区域时，其中只有70%含有三种起始金属 - 镍，锰和钴。

“这些颗粒内部含有更多的镍，能够储存更多的能量，表面上的能量更少，这会导致问题，”刘说。同时，颗粒的表面富含锰，其作用类似于涂料以保护内部。

“我们并不是第一批提出减少表面镍含量的人。但我们能够通过一个非常简单的程序一步到位地完成这项工作，”Doeff说。“我们仍然希望进一步提高镍含量，这为我们提供了一个可能的途径。你拥有的镍越多，你在实际使用的电压下的实际容量就越大。”

在未来的实验中，研究人员计划在充电和放电时用X射线探测NMC阴极，看它的结构和化学变化。他们还希望提高材料的安全性：作为金属氧化物，它可能在操作过程中释放氧气并可能引起火灾。

“为了制造出可以商业化的真正的功能性电池，你必须超越性能，”刘说。“必须考虑安全和许多其他事情。”

其他为这项工作做出贡献的研究人员是伯克利实验室的主要作者冯琳和马修泉; SLAC的Dennis Nordlund和Tsu-Chien Weng; 伯克利实验室和加州大学伯克利分校的雷成。这项工作得到了DOE车辆技术办公室的支持。SLAC的Stanford Synchrotron Radiation Lightsource和Brookhaven的功能纳米材料中心是DOE科学用户设施办公室。