研究突破！電動汽車長效鋰離子電池關鍵障礙被克服

得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員已經確定了鋰鎳氧化物（LiNiO₂）電池性能退化的根本原因。這一突破可能會挖掘這種前景廣闊的材料的潛力，用於製造更持久的鋰離子電池，以應用於電動汽車（EVs）、儲能系統和其他電子設備。

這項發表於《先進能源材料》的研究揭示，LiNiO₂早在20世紀50年代就已被發現，後來又被認爲是一種理想的正極材料，但爲何由於在反覆充電循環後的性能退化而在商業化方面遭遇困境。

就在幾十年前，LiNiO₂成爲傳統正極材料頗具吸引力的替代品。然而，其固有的結構不穩定性阻礙了它的廣泛應用。在鋰離子電池中，由於不可逆的相變、陽離子混合和氧損失（特別是在高電壓下），在循環過程中會出現快速的容量衰減。這最終限制了它的使用壽命以及在高能量密度應用中的商業可行性。

爲了應對這一難題，得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員採用計算建模來分析在最終充電階段發生的原子級過程。他們經分析發現，在LiNiO₂結構內涉及氧原子的化學反應會導致材料變得不穩定併產生裂紋。

有了這一新的認識後，該團隊設計出了一種理論性的解決辦法：通過引入一種帶正電的離子，也就是陽離子來對LiNiO₂陰極進行強化，形成‘支柱’，用來增強材料並抑制其降解。

“幾十年來，使用LiNiO₂製造的電池的性能退化一直是個問題，但人們並不十分清楚其原因，”德克薩斯大學達拉斯分校材料科學與工程教授、BEACONS項目主任Kyeongjae Cho博士說。“既然我們已經清楚這種情況爲何發生，我們正在研究解決方案，以便該技術能夠用於爲包括手機和電動汽車在內的一系列產品提供更長的電池續航時間。”

這項研究是2023年啓動的BEACONS計劃的一部分，該計劃旨在開發新的電池技術和製造工藝並將其商業化，提高關鍵原材料的國內供應量，併爲不斷擴大的電池儲能領域培訓熟練勞動力。該計劃旨在與行業合作伙伴合作，加快從實驗室規模的實驗到大規模生產的轉變。

馬修·伯格施耐德（Matthew Bergschneider）是材料科學與工程專業的博士生，也是這項研究的第一作者，他正在籌建一個以機器人技術爲基礎的實驗室，用來製造電池原型。“我們一開始會小批量生產，然後優化流程，”伯格施耐德說，“然後，我們將擴大材料合成規模，每週在BEACONS設施製造數百個電池。這些都是邁向商業化的墊腳石。”

通過解決由不可逆相變、陽離子混合和氧損失所導致的LiNiO₂（鎳酸鋰）的主要性能退化挑戰，得克薩斯大學達拉斯分校團隊的工作在克服下一代鋰離子電池性能的關鍵障礙之一上邁出了重要的一步。

隨着開始實驗室規模製造計劃以及最終與一個行業合作伙伴的合作，這樣一來可能會爲各種消費和工業應用中更持久、性能更高的電池鋪平道路。