工程師找出長壽命電池關鍵障礙

鋰鎳氧化物（LiNiO₂）已成為一種潛在的新材料，有望為下一代更耐用的鋰離子電池提供動力。然而，這種材料的商業化進程陷入停滯，原因在於它在反覆充電後會出現性能衰退的情況。

德州大學達拉斯分校的研究人員已經發現了LiNiO₂電池損壞的原因，並且正在測試一種解決方案，該方案有望消除這種材料廣泛應用的一個關鍵障礙。他們將研究成果發表在《先進能源材料》期刊上。

研究團隊計劃先在實驗室中製造LiNiO₂電池，最終與業界合作夥伴共同將這項技術商業化。材料科學與工程學教授、Erik Jonsson工程與計算機科學學院的Kyeongjae Cho博士，同時也是「電池與能源促進商業化和國家安全」（BEACONS）計劃的負責人表示：「數十年來，使用LiNiO₂製造的電池衰退一直是個問題，但原因一直未被充分理解。現在我們清楚了問題發生的原因，正致力於尋求解決方案，以便讓這項技術能夠應用於包括手機和電動車等一系列產品中，延長電池壽命。」

這項研究是德州大學達拉斯分校BEACONS計劃的一個項目，該計劃於2023年啟動。BEACONS的使命是開發和商業化新的電池技術及製造流程；提高關鍵原材料在國內的供應量；並為不斷擴大的電池儲能行業培訓高素質的工作人員。

為了確定LiNiO₂電池在充電最後階段損壞的原因，德州大學達拉斯分校的研究人員利用計算模型分析了這一過程。這項研究涉及在原子層面理解化學反應以及電子在材料中的重新分佈。

在鋰離子電池中，電流從稱為正極的導體（即陽極）流出，進入負極（即陰極）。陰極通常由碳石墨製成，能夠在更高的電位下儲存鋰。放電時，鋰離子通過電解質回到陽極，並將電子送回含鋰的陽極，這是一個產生電能的電化學反應。

陽極通常由包括鈷在內的多種材料混合製成，鈷是一種稀缺材料，科學家們正試圖用包括鋰鎳氧化物在內的替代品來取代它。

德州大學達拉斯分校的研究人員發現，LiNiO₂中涉及氧原子的化學反應會導致材料變得不穩定並出現裂紋。為了解決這個問題，他們提出了一種理論解決方案，即通過添加帶正電荷的離子（即陽離子）來增強材料的性能，改變材料的特性，形成「支柱」來加固陽極。

材料科學與工程博士研究生、該研究的第一作者Matthew Bergschneider一直在搭建一個基於機器人的實驗室，用於製造電池原型，以探索所設計的帶有支柱的LiNiO₂陽極的高通量合成工藝。機器人功能將有助於材料的合成、評估和特性分析。Eugene McDermott研究生獎學金獲得者Bergschneider表示：「我們一開始會製造少量樣品並優化工藝，然後在BEACONS設施中擴大材料合成規模，每週製造數百個電池。這些都是實現商業化的踏腳石。」