新阴极涂层可以让锂电池更安全耐用吗？

制造更好的锂离子电池需要同时处理大量因素，从保持电池的阴极导电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，美国能源部阿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这些和其他几个潜在问题。阿贡杰出的研究员和电池科学家哈利勒·阿明说：我们发现的这种涂层真是一石二鸟。

在这项研究中，首创从镍锰钴(NMC)阴极材料中提取粒子，并用一种叫做PEDOT的含硫聚合物将其包裹起来。当电池充电和放电时，这种聚合物为阴极提供一层保护，使其免受电池电解质的伤害。传统涂层只保护微米大小的阴极粒子表面，使其内部容易开裂。与此不同，PEDOT涂层能够穿透阴极粒子的内部，增加了额外的屏蔽层。此外，虽然PEDOT阻止了电池和电解质之间的化学反应，但它确实允许锂离子和电子的必要运输，这是电池运行所需要的。

科学家们开发了一种新的电池阴极涂层(蓝色)，可以提高电池的电子和离子导电性，同时提高电池的安全性和循环性能。图片：ArgonneNationalLaboratory

这项研究的第一作者、阿尔贡化学家徐贵良(GuiliangXu)说：这种涂层基本上对所有使电池工作的过程和化学过程都很友好，对所有可能导致电池退化或故障的反应都不友好。这种涂层还能在很大程度上防止另一种导致电池阴极失活的反应。在这个反应中，阴极材料转变成另一种形式称为尖晶石。几乎没有尖晶石形成与它的其他性质结合，使这种涂层是一个非常令人兴奋的材料。PEDOT材料还显示了防止氧释放的能力，氧释放是NMC阴极材料在高压下降解的一个主要因素。这种PEDOT涂层也被发现能够抑制充电过程中的氧气释放，这使得结构更加稳定，也提高了安全性。

电池科学家可能会扩大这种涂层的规模，用于含镍丰富的nmc电池。这种聚合物已经存在了一段时间，但我们仍然惊讶地发现，它具有所有令人鼓舞的作用。有了这种涂层，研究人员相信，含有nmc的电池要么能以更高的电压运行，从而增加能量输出，要么寿命更长，或者两者兼而有之。为了进行这项研究，科学家们依赖于美国能源部位于阿贡的两个科学用户设施：先进光子源(APS)和纳米材料中心(CNM)。采用原位高能x射线衍射仪在APS的束线11-d-c上进行了测量，并在CNM上进行了聚焦离子束光刻和透射电镜观察，其研究成果发表在《自然能源》。