據(jù)外媒報道，由美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）化學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊,，探討正極材料中一種名為價態(tài)梯度（valence gradient）的特性，以了解其對電池性能的影響,。結(jié)果顯示，價態(tài)梯度可以作為穩(wěn)定高鎳正極結(jié)構(gòu)的一種新方法,，防止出現(xiàn)降解和安全問題,。
（圖片來源：布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室）
高鎳正極具有高容量,，比起現(xiàn)有電池材料,，可以為電動汽車提供更長的續(xù)航里程。然而,，在電池循環(huán)過程中,，鎳含量高也會導(dǎo)致正極材料更快地降解，出現(xiàn)裂縫和穩(wěn)定性問題,。為了解決這些結(jié)構(gòu)性問題,，科學(xué)家們合成了具有鎳濃度梯度的材料。在這種材料中,，從表面到中心（或整體）的鎳含量逐漸發(fā)生變化,。這些材料表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性，但無法確定這是否僅僅是由濃度梯度引起的,。傳統(tǒng)上,，濃度梯度與另一種稱為價態(tài)梯度的效應(yīng)是分不開的，也就是鎳的氧化態(tài)從材料表面到本體的逐漸變化,。
在這項由布魯克海文實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的新研究中,，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的化學(xué)家們合成了一種獨(dú)特的材料，將價態(tài)梯度從濃度梯度中分離出來,。主要研究人員Ruoqian Lin表示：“我們使用一種非常獨(dú)特的材料,，其中只有鎳價態(tài)梯度，而沒有鎳濃度梯度,。在正極材料中,，三種過渡金屬從表面到整體的濃度都相同，但是鎳氧化態(tài)發(fā)生變化,。在合成過程中,，我們通過控制材料的煅燒時間等因素來實(shí)現(xiàn)這些性能。在煅燒時間充足的情況下,，錳和氧之間的結(jié)合強(qiáng)度更高,，從而推動氧進(jìn)入材料核心部位，同時保持表面的Ni2+氧化態(tài),，形成價態(tài)梯度,?！?/p>
在化學(xué)家們成功合成具有獨(dú)立價態(tài)梯度的材料后，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的研究人員利用美國能源部位于布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的兩個科學(xué)辦公室用戶設(shè)施——國家同步加速器光源II（NSLS-II）和功能納米材料中心（CFN）來研究其性能,。
在超亮X射線光源NSLS-II,，研究小組利用兩個尖端實(shí)驗(yàn)站——硬X射線納米探針（HXN）光束線和全場X射線成像（FXI）光束線。通過綜合利用這兩種光束線,，研究人員能夠在電池運(yùn)行多個周期后,，以3D方式觀察樣品中的原子級結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。
HXN光束線的首席科學(xué)家Yong Chu表示：“這兩種光束線都具有世界領(lǐng)先的能力,，你無法在其他地方進(jìn)行這項研究,。FXI是全球最快的納米光束，比同類設(shè)施要快十倍左右,。HXN慢得多,，但更敏感，是世界上分辨率最高的X射線成像光束,?！?/p>
HXN光束線科學(xué)家Xiaojing Huang表示：“在HXN，我們通常以多模態(tài)模式進(jìn)行測量,，這意味著我們可以同時收集多個信號。在本項研究中,，我們利用熒光信號和植物圖譜信號（phytography signal）,，在納米尺度上重建樣品的3D模型。熒光通道能夠提供元素分布,，從而驗(yàn)證樣品的組成和均勻性,。植物圖譜通道提供高分辨率結(jié)構(gòu)信息，可以完整顯示樣品中的微裂縫,?！?/p>
同時，在FXI,，“該光束線顯示,，在這種材料中，價態(tài)梯度是如何存在的,。我們以非常高的數(shù)據(jù)采集率進(jìn)行全幀成像,，因此能夠研究多個區(qū)域，并提升統(tǒng)計可靠性,?！?/p>
在CFN電子顯微鏡設(shè)施，研究人員使用先進(jìn)的透射電子顯微鏡 （TEM） ,，以超高分辨率觀察樣品,。與X射線研究相比,，TEM只能探測到樣品中很小的一部分區(qū)域，因此對整個樣品的統(tǒng)計可靠性較低,，但是相關(guān)數(shù)據(jù)也更加詳細(xì)直觀,。
研究人員結(jié)合從各個設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)價態(tài)梯度在電池性能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。價態(tài)梯度可以“隱藏”材料中心電容更大但不太穩(wěn)定的鎳區(qū)域,，只暴露材料表面結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的鎳。這種重要的排列抑制了裂縫的形成,。
這項研究強(qiáng)調(diào),，濃度梯度材料對電池性能產(chǎn)生的積極影響。同時,，提出新的互補(bǔ)性方法,，通過價態(tài)梯度來穩(wěn)定高鎳正極材料。研究人員表示：“對于未來的新型材料合成和正極材料設(shè)計來說,，這些發(fā)現(xiàn)具有非常重要的指導(dǎo)意義,。我們將在以后的研究中對其進(jìn)行應(yīng)用?！?/p>