研究人員破解鈉離子電池耐用性缺陷根源

作者 : Cornell University

美國康乃爾大學(Cornell University)的研究人員發現了長久以來限制鈉離子電池耐用性的問題根源,可望為製造商提供21 世紀供電新策略...

對於電動車(EV)等新能源應用來說,能量密集、不易燃且在較低溫度下運行良好的鈉離子電池櫪具發展前景,然而,由於鈉離子電池存在耐用性缺陷問題,長期以來都只能作為磷酸鐵鋰電池的「備胎」。

美國康乃爾大學(Cornell University)的研究人員發現了長久以來限制鈉離子電池耐用性的問題根源,可望為製造商提供21 世紀供電新策略。

據研究人員表示,鈉離子電池耐久性差源於電池運行過程中的特定原子重組——P2-O2相變——因為離子穿過電池失序晶體結構且最終加以破壞。雖然研究人員對相變很感興趣,但其背後的機制一直難以研究,尤其是在電池運行期間。

該機制的關鍵方面已由材料科學與工程助理教授Andrej Singer實驗室的康奈爾大學研究團隊揭示,並於 2 月 1 日發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)期刊。博士生 Jason Huang 為第一作者。

鈉離子電池中的原位單粒子 X 射線衍射揭示從 P2 (左)和 O2 (右)相位的相變過程中原子改組的表現。(圖片來源:Jason Huang/提供)

研究小組發現,隨著鈉離子在電池中移動,單個顆粒內的晶體層的錯誤取向會在晶體層在 P2-O2相變之前突然對齊之前增加。

Singer說:「我們發現了一種新的關鍵機制。在電池充電期間,原子突然重新排列並促進了有缺陷的相變。」

該團隊在使用康乃爾大學高能同步加速器源開發一種新的 X 射線成像技術後夠觀察到這一現象,這使他們能夠即時和大規模地觀察電池樣本中單個粒子的行為。

「意外的原子排列在傳統的粉末 X 射線衍射測量中是不可見的,因為它需要看到單個陰極奈米粒子的內部。透過前所未有的高通量資料使我們能夠揭示微妙但關鍵的機制。」

這一發現促使研究團隊為正使用中的鈉離子電池類型提出新的設計方案,並打算在未來的研究計劃中進一步調查。該研究的第一作者Jason Huang說,一種解決方案是修改電池化學成份,在有缺陷的過渡階段之前策略性地為粒子導入一種失序過程。

他補充說:「透過改變過渡金屬的比例,以此例來說是鎳和錳,我們可以加進一些失序,並可能降低所觀察到的有序效應。」

研究人員表示,新的表徵技術可用於揭示其他奈米粒子系統中的複雜相變行為,但最佳應用可能仍落實於一代儲能技術。

「我們正推動鈉離子電池的技術進展以及對其更進一步瞭解。利用這些知識有助於設計更好的電池,從而解鎖未來實際應用的技術。」

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