含硫聚合物的NMC阴极涂层能提高锂电池电气性能和电池寿命

作者：DOE/ArgonneNationalLaboratory

研制一个更好的锂离子电池需要同时解决许多因素，从使电池的阴极保持电气状态和离子导电到确保电池在多次循环后保持安全。

在一项新的发现中，美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室的科学家们利用氧化化学气相沉积技术开发了一种新的阴极涂层，这种技术可以帮助解决锂离子电池的上述问题和其他几个潜在问题。

“我们发现的涂层真的能一石击中五六只鸟。”阿尔贡实验室的著名研究员、电池科学家KhalilAmine说。

在这项研究中，Amine和他的同事们将阿尔贡首创的镍锰钴（NMC）阴极材料的微粒用一种含硫聚合物PEDOT包裹起来。这种聚合物在电池充电和放电时为阴极提供了一层保护，使其免受电池电解液的损害。

与传统涂层不同，传统涂层只保护微米大小的阴极颗粒的外表面，使内部容易开裂，PEDOT涂层能够穿透阴极颗粒的内部，增加一层屏蔽层。

此外，尽管PEDOT阻止了电池和电解液之间的化学反应，但它却允许电池运行所需的锂离子和电子的必要运输。

这项研究的第一作者阿尔贡化学家徐桂梁说：“这种涂层对电池工作的所有过程和化学过程都很友好，对所有可能导致电池降解或故障的反应不友好。”

涂层还大大防止了导致电池阴极失效的另一种反应。在这种反应中，阴极材料转变成另一种形式的尖晶石。几乎没有尖晶石的形成，加上它的其他特性，使这种涂层成为一种非常令人兴奋的材料，”Amine说。

PEDOT材料还证明了防止氧释放的能力，这是NMC阴极材料在高压下降解的主要因素。“这种PEDOT涂层还被发现能够抑制充电过程中的氧气释放，这将使锂电池具有更好的结构稳定性和安全性。”Amine说。

Amine表明，科学家们可能会将这种涂层扩大到富含镍的NMC电池中。这种聚合物已经存在一段时间了，但我们仍然惊讶地发现它具有所有令人鼓舞的效果。

随着涂层的应用，研究人员相信含有NMC的电池可以在更高的电压下运行，从而增加它们的能量输出，或者寿命更长，或者两者兼而有之。

为了进行这项研究，科学家们依靠位于阿尔贡的两个能源部科学用户办公室设施：先进光子源（APS）和纳米材料中心（CNM）。在APS的束线11-ID-C上进行了原位高能X射线衍射测量，并在CNM上进行了聚焦离子束光刻和透射电子显微镜检查。