是什麼決定了電池的循環壽命？更重要的是，我們可以如何延長電池的循環壽命？由代爾夫特理工大學領導的國際研究小組發現，氧化物陰極材料中的局部無序會增加鋰離子電池的充放電次數。他們的研究成果已發表在《自然》雜誌。

不穩定的電極

充電電池是能源轉型的關鍵要素，尤其是在再生能源越來越多的今天。在多種可充電電池中，鋰離子電池是功能最強大、應用最廣泛的電池之一。為了使其電氣連接，通常使用層狀氧化物作為電極。然而，當電池充電時，它們的原子結構會變得不穩定。這最終會影響電池的循環壽命。

局部失調

為了解決這個問題，代爾夫特理工大學的”電化學能量儲存”小組與國際研究人員合作。論文的第一作者是王啟迪，他介紹說：”用作鋰離子電池陰極材料的層狀氧化物是整齊有序的。我們進行了一項結構設計研究，透過改進合成方法在這種材料中引入化學短程無序。

有序的層狀結構是鋰（Li）離子陰極的重要組成部分。然而，在充電過程中，本質上脆弱的缺鋰框架很容易受到晶格應變、結構和/或化學機械退化的影響，導致容量迅速下降，從而縮短電池壽命。在此，研究人員報告了一種透過在氧化物陰極中整合化學短程無序（CSRD）來解決這些問題的方法，它涉及晶格中元素在空間維度上的局部分佈，跨越幾個最近鄰間距。這是在結構化學基本原理的指導下，透過改進的陶瓷合成過程實現的。

為了證明其可行性，研究人員展示了CSRD 的引入如何對層狀氧化鋰鈷陰極的晶體結構產生重大影響。這表現在過渡金屬環境及其與氧氣的相互作用上，有效防止了鋰去除過程中晶體板的有害滑動和結構退化。同時，它也會影響電子結構，進而提高電子導電性。

這些特性對鋰離子儲存能力大有裨益，可顯著提高循環壽命和速率能力。此外他們還發現CSRD 可以透過改進化學共摻雜的方式引入其他層狀氧化物材料中，這進一步說明了CSRD 在增強結構和電化學穩定性方面的潛力。這些發現為氧化物陰極的設計開闢了新的途徑，幫助深入了解了CSRD 對先進功能材料晶體和電子結構的影響。

經過200 次充電/放電循環後，結構穩定性的提高幾乎使電池的容量保持率翻了一番。圖片來源：Roy Borghouts Fotografie

循環壽命更長，充電時間更短

結構穩定性的提高使電池在200 次充電/放電循環後的容量保持率幾乎翻了一番。此外，這種化學短程無序增加了電極中的電荷轉移，從而縮短了充電時間。研究小組對鋰鈷氧化物（LiCoO2）和鋰鎳錳鈷氧化物（NMC811）等成熟的商用陰極展示了這些優勢。

關鍵材料

這些成果可能會催生新一代鋰離子電池，其製造成本更低，壽命期間單位能量儲存的二氧化碳排放量更小。研究團隊下一步將研究是否可以利用相同的材​​料設計原理，並以較不稀缺的原料製造陰極。論文的資深作者馬尼克斯-瓦格馬克（Marnix Wagemaker）說：”鈷和鎳都是所謂的能源技術關鍵材料，減少電池中這些材料的使用將是一件好事。”

編譯來源：ScitechDaily