眾所周知，電動車、智能手機、筆記本電腦、手錶等電子設備會隨着時間推移而失去電量。實際上，為它們供電的鋰離子電池在第一次充電前，其能量容量就已損失約五分之一，這是由在第一個循環中形成的雜質引起的。近日，由諾貝爾得主、可充電鋰電池發明者 M. Stanley Whittingham 領導的研究團隊，可能已經找到了解決這個問題的方法 —— 即採用一種新型塗層，便可從一開始就防止這些損失。
無鋰氧化鈮（淺綠色）包覆正極材料（藍色），圖自：Jill Hemman / ORNL 。
通過鈮（Nb）處理，來減少首次容量損失並提高倍率性能。實現了長期循環穩定性，250 次循環后容量保持率達 93.2%。
該研究於 3 月 18 日以《鈮在鋰離子電池富鎳層狀氧化物陰極中的作用是什麼？》（What is the Role of Nb in Nickel-Rich Layered Oxide Cathodes for Lithium-Ion Batteries? ）為題發表在《ACS Energy Letters》雜誌上。
20 世紀 70 年代末，M. Stanley Whittingham 第一次提出了可充電鋰離子電池的概念，他將因此分享 2019 年諾貝爾化學獎。然而，即使是他也無法預料到隨着這些電池為世界便攜式電子設備提供動力而出現的複雜材料科學挑戰。
富鎳層狀金屬氧化物 LiNi1-y-zMnyCozO2 (1- y – z≥ 0.8) 材料是下一代電動汽車鋰離子電池最有前途的正極材料。然而，它們在第一個循環中損失 10% ~ 18% 的容量，此外，鎳會在陰極結構的表面下產生不穩定性，隨着時間的推移，這也會開始降低電池的存儲容量。塗層和替代可能是解決這些挑戰的直接有效的解決方案。
VULCAN 專為變形、相變、殘餘應力、紋理與微觀結構研究而設計（圖自：DOE）
Whittingham 帶領紐約州立大學賓漢姆頓分校、能源部和橡樹嶺國家實驗室的一組研究人員，通過 X 射線和中子衍射研究測試用不含鋰的鈮氧化物處理領先的陰極材料——一種稱為 NMC 811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2） 的層狀鎳錳鈷材料——是否會導致電池壽命更長。
NMC8 11 上的 Nb 塗層和 Nb 取代可以通過可擴展的濕化學方法製備，NMC 811 與乙醇鈮溶液攪拌過夜，然後在純氧中從 400 °C 到 800 °C 加熱 3 小時。
圖1：0.7% Nb改性 NMC 811在不同溫度下的 XRD 譜圖。（插圖顯示雜質峰，♥ 是 LiNbO3 和 ♣ 是 Li3NbO4；(b) 和 (c) 2θ 度的放大圖 ）（來源：論文）
由 XRD 譜圖分析可知，隨着溫度升高，峰值向較低的 2θ 度移動（圖 1b，c），表明一些Nb5+滲透到 NMC 結構中。此外，通過同步加速器衍射研究了更高水平的 Nb 改性樣品（1.4% Nb） ，研究表明 Nb 從 600 °C 開始取代到 NMC 811 中，並且隨着溫度的升高取代更多。
“中子很容易穿透陰極材料，以揭示鈮和鋰原子的位置，這有助於更好地了解鈮改性過程的工作原理，”NECCES 電池設施經理周慧說。“中子散射數據表明鈮原子穩定表面以減少第一次循環損失，而在較高溫度下，鈮原子取代陰極材料內部更深處的一些錳原子，以提高長期容量保持率。”
散裂中子源（SNS）使用基於加速器的系統來產生中子（圖自：DOE）
中子粉末衍射具有深入滲透材料的能力以及區分過渡金屬 (TM) 元素和檢測輕元素的高靈敏度。用於揭示可能的 Nb 位點佔有率，研究人員考慮了三個可能的 Nb 佔用位點：Nb 佔據 Li 位置；Nb 佔據 Li 位點，還原一些過渡金屬氧化態；Nb佔據過渡金屬位置。
研究表明：NMC 階段的細化表明 Nb 最有可能在 NMC 811 中的 TM 位點上替代。這與中子衍射結果的一致。細化與 Li3NbO4 中 48% 的 Nb 被 Mn 取代的模型一致。因此，Nb 最有可能佔據過渡金屬位置，取代一些 Mn。
接着通過 SEM 和 TEM 技術，對 Nb 改性的 NMC 811 從 400 ~ 800 C °C 燒結的形態和成分進行了表徵分析。
圖2：Nb 改性的 NMC 811 從 400 ~ 800 C °C 燒結的形態和成分通過 SEM 和 TEM 技術表徵。（來源：論文）
研究表明：Nb 取代材料在 250 次循環后具有 93.2% 的容量保持率，其次是塗層樣品的 88.2% 和未處理的 811 的 83.4%。Nb 取代有助於穩定晶格的主體以防止結構變化，而 Nb 塗層增加了初始容量。
“電化學性能和結構穩定性的提高使 Nb 改性 NMC 811 成為用於高能量密度電動汽車的潛在正極材料。” Whittingham 說，“將塗層和取代相結合可能是增加初始容量和提高容量保持率的更好方法。使用目前的 NMC 多步製造工藝，可以輕鬆地按比例放大這種結構的修改。”
Whittingham 補充說，“這項研究支持 Battery500 聯盟的目標，這是一個由能源部太平洋西北國家實驗室為能源效率和可再生能源辦公室領導的多機構計劃。該計劃致力於開發下一代鋰金屬電池，每公斤可提供高達 500 瓦時的電量，而目前平均每公斤約為 220 瓦時。”