研究人员开发无钴正极可提高电池的容量和寿命

现在，电动汽车的销量激增，对钴金属的需求也增加了。据国外媒体报道，来自韩国汉阳大学和美国太平洋西北国家实验室的研究人员证实，制造不含钴的高性能层状阴极将有助于开发更可持续和低成本的锂离子电池解决方案。

到目前为止，从锂离子电池的层状正极中去除钴是非常具有挑战性的。由于使用了少量的钴，可以显著提高正极的结构稳定性。同时可以加速锂离子的嵌入动力学，提高电池的性能。为了解决这个问题，研究人员一直在探索由LiO2 _ 2制成的正极。

以往的研究表明，LiO2无钴正极具有循环稳定性，但不能为电动汽车提供足够的容量。研究人员试图通过增加LiO2阴极中的镍含量来提高容量，但没有取得明显的效果。因为没有钴很难从主体结构中提取锂。

在这项研究中，研究人员将正极的工作电压从4.3 V提高到4.4 V，以从LiO2中提取更多的锂，同时提高电池在最高工作电压下的能量密度和功率密度。为了使锂离子电池稳定在4.4V(最高工作电压)，需要重新设计电池的正极微结构和电解液。

研究人员Chong S. Yoon教授说:“添加高氧化态的掺杂剂可以细化一次粒径，稳定脱锂主体结构。研究人员使用启发式方法确定掺杂1 mol% Mo的(Ni0.9Mn0.1)O2阴极可以获得最佳性能。此外，在常规电解质中加入氟代碳酸乙烯酯可以在4.4 V下强化电解质，并保护正电极表面免受电解质侵蚀。1 mol% Mo—Li(Ni0.9Mn0.1)O2循环1000次可保留86%的初始容量，满足所需的电池寿命。”

对于在4.4 V下工作的1mol % Mo-lio 2阴极，主要问题是容量随时间降低(这个问题存在于所有基于富镍层状阴极的可充电电池中)。为了保证电池寿命，为设备提供合理的电力，必须首先解决容量衰减的问题。

Yoon说:“在4.4V时，1mol%的mo-LiO2具有优异的循环稳定性。在很大程度上，这是由于粒径细化和阳离子有序化。通过高温热处理，氢氧化物前体可以转化为LiO2。然而，在高温热处理过程中，Mo6+离子倾向于沿着颗粒之间的边界分离并抑制晶粒生长。这种超细结构的阳极中的晶界通过偏转电荷端附近晶格突然收缩引起的裂纹来增加断裂韧性。”

正极中的这种晶界可以作为锂离子快速扩散的途径。因为消除了由于其组成引起的局部不均匀性，所以可以抑制晶内断裂。通过添加Mo6+，研究小组以特定的方式在正极中排列阳离子。这种独特的设计稳定了阴极结构，即使当阴极由于锂离子的不均匀提取而最脆弱时也是如此。

Yoon说:“研究表明，开发高性能的无钴层状正极并非高不可攀的目标。提出的1mol % Mo-lio 2阴极可以在高压下工作，这是一种经济的解决方案，并且可以通过当前的制造技术实现。此外，通过阐明钴在从主体结构中提取锂离子过程中的本征作用，这项工作为选择第三掺杂元素提供了材料设计准则，以确保无钴层状阴极的结构和机械耐久性。”

本研究提出的正极设计和组成可以指导今后的研究工作，提高富镍层状正极的整体性能。此外，这项工作可能为开发高性能无钴电池技术铺平道路，从而提高可持续性和成本效益。Yoon说:“对于续航里程长、安全性更高的高性能电动汽车，下一代锂离子电池很可能是全固态电池，采用富镍无钴正极。目前，研究人员正在探索将拟议中的无钴阴极应用于ASSB的可能性。”