最近，开发更先进电池技术很大程度上集中在设计新型阴极材料上，这是因为现有的阴极材料在高电压下性能不佳，会导致电池容量迅速下降。层状氧化物阴极是一类具有层状晶体结构的阴极材料，被认为特别有希望用于开发下一代电池。初步研究结果表明，这些材料可以提高锂离子电池的性能，同时还能降低其制造成本并限制其对环境的影响。
阿贡国家实验室的研究人员最近设计出了新型超稳定 NMCs 阴极，这是一种由镍（Ni）、锰（Mn）和钴（Co）组成的层状氧化物阴极。这些新设计的材料在 Nature Energy 杂志上发表的一篇论文中进行了介绍，研究发现，这些材料能够在锂离子电池中实现高性能，而不会出现明显的容量损失。
研究团队开发了一系列浓度梯度 NMC 阴极，以优化利用镍、锰和钴的有益特性，在这种浓度梯度阴极中，镍的浓度呈线性下降，而锰的浓度则从每个颗粒的中心层到外层呈线性增加。这种全梯度阴极设计由 Amine 博士于 2012 年申请了专利，它充分利用了镍的高能量密度（存在于阴极的核心）以及阴极外层锰的高热稳定性和长寿命。值得注意的是，这种设计已经授权给多家电池技术和材料制造商。
为了实现下一代电池更高的能量密度和更低的成本，研究人员将NMC阴极压制在更高的电压下工作（≥4.5 V），以实现高容量，这超过了传统分层结构的电压限制，导致容量快速损失。此外，目前钴（Co）供应的瓶颈对商业电池生产造成了负面影响，并激发了对钴依赖性较低的正极材料的开发。
研究人员开始设计第二代更新版的梯度阴极，克服了现有 NMC 阴极设计的局限性。第二代阴极的特点是具有浓度梯度和结构梯度，共同解决了现有阴极在高电压下具有分层结构的缺陷。还降低了阴极中钴的浓度。这种成分的改变可以大大降低阴极材料的制造成本和对环境的影响。
作为这项最新研究的一部分推出的新型阴极具有独特的成分和双梯度设计，可以解决在其他现有阴极中观察到的电压上限问题。通过将不同成分和材料结构的优势结合到单一阴极中，研究小组得以实现出色的性能。
具体来说，高镍含量的体层结构能够提供高容量，而表面无序的岩盐结构可以承受高达 4.7V 的高压，而不会发生严重的结构变化。因此，这种双梯度阴极在高电压（>4.5V）下工作时，可同时实现高容量和卓越的循环寿命。此外，这种设计还能将钴用量减少 1%，并最大限度地发挥其功能，降低安全风险。
研究人员新推出的材料不同于传统的阴极设计，后者通常采用单一结构和高浓度钴。在最初的实验中，研究人员发现这种新型阴极的性能非常出色，可以使电池在4.5伏的电压下实现高容量和高电压运行，且没有任何容量损失，而在4.7伏的电压下运行时，容量衰减也可以忽略不计。
通过将分层相的高能量密度与无序岩盐相的结构稳定性相结合，设计解决了长期以来容量、循环寿命和安全性之间的权衡问题。这一创新不仅提高了阴极的整体性能，还拓宽了阴极材料设计的研究方向，能够创造出远远超越现有材料的新材料。
阿贡先进光子源和纳米材料中心（均隶属于能源部科学办公室用户设施）以及布鲁克海文国家实验室利用X射线、电子和成像技术进行了一系列实验，以鉴定新型阴极材料在静止和运行时的特性。这些测试从阴极、粒子和原子层面对材料进行了综合评估，全面了解了材料的组成、结构和性能。
原文链接: Tongchao Liu et al, Ultrastable cathodes enabled by compositional and structural dual-gradient design, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01605-8
