1970年代后期，M.StanleyWhittingham描述了可充電鋰離子電池的概念，他將因此分享2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。然而，即使是他也無(wú)法預(yù)料到隨著這些電池為世界便攜式電子設(shè)備提供動(dòng)力而出現(xiàn)的復(fù)雜材料科學(xué)挑戰(zhàn)。

一個(gè)長(zhǎng)期存在的技術(shù)問(wèn)題是，每次在設(shè)備中安裝新的鋰離子電池時(shí)，在設(shè)備第一次充電之前，其能量容量就會(huì)損失約五分之一。無(wú)論電池是安裝在筆記本電腦、相機(jī)、手表中，還是安裝在新的電動(dòng)汽車中，都是如此。

原因是富鎳陰極上形成的雜質(zhì)-電池的正極(+)側(cè)，通過(guò)它釋放存儲(chǔ)的能量。

為了找到一種保留損失容量的方法，Whittingham領(lǐng)導(dǎo)了一組研究人員，其中包括他來(lái)自紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校(SUNYBinghamton)的同事以及能源部(DOE)布魯克海文(BNL)和橡樹嶺分校的科學(xué)家國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）。該團(tuán)隊(duì)使用X射線和中子來(lái)測(cè)試用不含鋰的鈮氧化物處理領(lǐng)先的陰極材料，一種稱為NMC811的層狀鎳錳鈷材料——是否會(huì)導(dǎo)致電池壽命更長(zhǎng)。

研究結(jié)果“WhatistheRoleofNbinNickel-RichLayeredOxideCathodesforLithium-IonBatteries”出現(xiàn)在ACS能源快報(bào)中。

在預(yù)測(cè)無(wú)鋰鈮氧化物會(huì)在表面形成納米級(jí)鋰鈮氧化物涂層后，我們?cè)趯訝钛趸镪帢O材料上測(cè)試了NMC811，該涂層會(huì)傳導(dǎo)鋰離子并允許它們滲透到陰極材料中，Whittingham說(shuō)，他現(xiàn)在是紐約州立大學(xué)杰出教授兼東北化學(xué)儲(chǔ)能中心(NECCES)主任，該中心是由紐約州立大學(xué)賓厄姆頓分校領(lǐng)導(dǎo)的能源前沿研究中心。

鋰電池的陰極由富含鋰和鎳的氧化物材料（至少含有一個(gè)氧原子的化合物）交替層制成，因?yàn)殒囅鄬?duì)便宜，并且有助于以比其他金屬更低的成本提供更高的能量密度和更大的存儲(chǔ)容量。

但是陰極中的鎳相對(duì)不穩(wěn)定，因此很容易與其他元素發(fā)生反應(yīng)，使陰極表面被不希望有的雜質(zhì)覆蓋，在第一次充放電循環(huán)期間，電池的存儲(chǔ)容量會(huì)降低10-18%。鎳還會(huì)導(dǎo)致陰極結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不穩(wěn)定性，這會(huì)進(jìn)一步降低充電和放電時(shí)間延長(zhǎng)的存儲(chǔ)容量。

為了了解鈮如何影響富鎳陰極材料，科學(xué)家們?cè)贠RNL散裂中子源(SNS)的VULCAN工程材料衍射儀上進(jìn)行了中子粉末衍射研究。他們測(cè)量了純NMC811和鈮改性樣品的中子衍射圖。

NECCES電池設(shè)施經(jīng)理HuiZhou說(shuō)，中子很容易穿透陰極材料，以揭示鈮和鋰原子的位置，這有助于更好地了解鈮改性過(guò)程的工作原理。中子散射數(shù)據(jù)表明鈮原子穩(wěn)定表面以減少第一次循環(huán)損失，而在較高溫度下，鈮原子取代陰極材料內(nèi)部更深處的一些錳原子，以提高長(zhǎng)期容量保持率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在250次充放電循環(huán)中，首次循環(huán)容量損失減少，長(zhǎng)期容量保持率提高了93%以上。

電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的改進(jìn)使鈮改性的NMC811成為用于更高能量密度應(yīng)用（如電動(dòng)汽車）的陰極材料的候選材料，Whittingham說(shuō)，將鈮涂層與用鈮原子替代錳原子相結(jié)合可能是提高初始容量和長(zhǎng)期容量保持率的更好方法。使用目前的NMC材料多步制造工藝可以輕松擴(kuò)大這些修改的規(guī)模。

Whittingham補(bǔ)充說(shuō)，這項(xiàng)研究支持Battery500聯(lián)盟的目標(biāo)，這是一個(gè)由能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為能源效率和可再生能源辦公室領(lǐng)導(dǎo)的多機(jī)構(gòu)計(jì)劃。該計(jì)劃致力于開發(fā)每公斤可提供高達(dá)500瓦時(shí)的下一代鋰金屬電池，而目前的平均每公斤約為220瓦時(shí)。