据国外媒体报道，由美国能源部布鲁克海文国家实验室的化学家领导的研究小组探索了正极材料中的价态梯度特征，以了解其对电池性能的影响。结果表明，价梯度可以作为一种新的方法来稳定高镍阴极的结构，防止退化和安全问题。
(来源:布鲁克海文国家实验室)
高镍阳极容量高，与现有电池材料相比，可为电动汽车提供更长的续航里程。然而，在电池循环过程中，高镍含量也会导致正极材料更快地降解，从而产生裂纹和稳定性问题。为了解决这些结构问题，科学家合成了具有镍浓度梯度的材料。在这种材料中，镍含量从表面到中心(或整体)逐渐变化。这些材料表现出很大的稳定性，但不确定这是否只是由浓度梯度引起的。传统上，浓度梯度与另一种叫做价梯度的效应密不可分，即镍的氧化态从材料表面到体块的逐渐变化。
在布鲁克海文实验室领导的这项新研究中，阿贡国家实验室的化学家合成了一种独特的材料，可以将价态梯度与浓度梯度分开。主要研究人员林若谦说:“我们使用了一种非常独特的材料，其中只有镍的价态梯度，而没有镍的浓度梯度。在正极材料中，三种过渡金属的浓度从表面到整体是相同的，但镍的氧化态发生了变化。在合成过程中，我们通过控制材料的煅烧时间等因素来实现这些性质。煅烧时间充足时，锰与氧的结合强度更高，从而将氧推入材料核心，同时保持表面的Ni2+氧化态，形成价态梯度。”
在化学家成功合成具有独立价梯度的材料后，布鲁克海文实验室的研究人员使用了布鲁克海文实验室美国能源部两个科学办公室的用户设施——国家同步加速器光源II(NSLS-II)和功能纳米材料中心(CFN)来研究它们的性质。
在超亮X射线源NSLS-II中，研究团队使用了两个前沿实验站——硬X射线纳米探针(HXN)光束线和全场X射线成像(FXI)光束线。综合利用这两种束线，研究人员可以在电池运行几个周期后，以3D模式观察样品中的原子结构和化学成分。
HXN光束线首席科学家永初说:“这两条光束线都有世界领先的能力，你在别的地方做不了这项研究。FXI是世界上最快的纳米束，大约比类似的设备快十倍。HXN慢得多，但更灵敏，是世界上分辨率最高的X射线成像光束。”
HXN光束线科学家黄晓静(Xiaojing Huang)说:“在HXN中，我们通常以多模态模式进行测量，这意味着我们可以同时采集多个信号。在这项研究中，我们使用荧光信号和植物图像信号在纳米尺度上重建样品的三维模型。荧光通道可以提供元素分布，从而验证样品的组成和均匀性。植物图谱通道提供了高分辨率的结构信息，可以完整地显示样品中的微裂纹。”
与此同时，在FXI，“光束线显示了这种物质中存在的价层梯度。我们以非常高的数据采集速率执行全帧成像，因此我们可以研究多个区域，并提高统计可靠性。”
在CFN电子显微镜设施中，研究人员使用先进的透射电子显微镜(TEM)以超高分辨率观察样品。与X射线研究相比，TEM只能检测到样品的一小部分，因此整个样品的统计可靠性较低，但相关数据更加详细和直观。
研究人员结合从各种设备收集的数据，证实了化合价梯度在电池性能中起着关键作用。价态梯度可以“隐藏”材料中心电容较大的不稳定镍区，只暴露材料表面结构更稳定的镍。这种重要的布置抑制了裂缝的形成。
这项研究……评估浓度梯度材料对电池性能的积极影响。同时提出了一种新的互补方法，通过价态梯度稳定高镍正极材料。研究人员表示:“这些发现对于未来新材料的合成和阴极材料的设计具有重要的指导意义。我们将在未来的研究中应用它。”据国外媒体报道，由美国能源部布鲁克海文国家实验室的化学家领导的研究小组探索了正极材料中的价态梯度特征，以了解其对电池性能的影响。结果表明，价梯度可以作为一种新的方法来稳定高镍阴极的结构，防止退化和安全问题。
(来源:布鲁克海文国家实验室)
高镍阳极容量高，与现有电池材料相比，可为电动汽车提供更长的续航里程。然而，在电池循环过程中，高镍含量也会导致正极材料更快地降解，从而产生裂纹和稳定性问题。为了解决这些结构问题，科学家合成了具有镍浓度梯度的材料。在这种材料中，镍含量从表面到中心(或整体)逐渐变化。这些材料表现出很大的稳定性，但不确定这是否只是由浓度梯度引起的。传统上，浓度梯度与另一种叫做价梯度的效应密不可分，即镍的氧化态从材料表面到体块的逐渐变化。
在布鲁克海文实验室领导的这项新研究中，阿贡国家实验室的化学家合成了一种独特的材料，可以将价态梯度与浓度梯度分开。主要研究人员林若谦说:“我们使用了一种非常独特的材料，其中只有镍的价态梯度，而没有镍的浓度梯度。在正极材料中，三种过渡金属的浓度从表面到整体是相同的，但镍的氧化态发生了变化。在合成过程中，我们通过控制材料的煅烧时间等因素来实现这些性质。煅烧时间充足时，锰与氧的结合强度更高，从而将氧推入材料核心，同时保持表面的Ni2+氧化态，形成价态梯度。”
在化学家成功合成具有独立价梯度的材料后，布鲁克海文实验室的研究人员使用了布鲁克海文实验室美国能源部两个科学办公室的用户设施——国家同步加速器光源II(NSLS-II)和功能纳米材料中心(CFN)来研究它们的性质。
在超亮X射线源NSLS-II中，研究团队使用了两个前沿实验站——硬X射线纳米探针(HXN)光束线和全场X射线成像(FXI)光束线。综合利用这两种束线，研究人员可以在电池运行几个周期后，以3D模式观察样品中的原子结构和化学成分。
HXN光束线首席科学家永初说:“这两条光束线都有世界领先的能力，你在别的地方做不了这项研究。FXI是世界上最快的纳米束，大约比类似的设备快十倍。HXN慢得多，但更灵敏，是世界上分辨率最高的X射线成像光束。”
HXN光束线科学家黄晓静(Xiaojing Huang)说:“在HXN中，我们通常以多模态模式进行测量，这意味着我们可以同时采集多个信号。在这项研究中，我们使用荧光信号和植物图像信号在纳米尺度上重建样品的三维模型。荧光通道可以提供元素分布，从而验证样品的组成和均匀性。植物图谱通道提供了高分辨率的结构信息，可以完整地显示样品中的微裂纹。”
与此同时，在FXI，“光束线显示了这种物质中存在的价层梯度。我们以非常高的数据采集速率执行全帧成像，因此我们可以研究多个区域，并提高统计可靠性。”
在CFN电子显微镜设施中，研究人员使用先进的透射电子显微镜(TEM)以超高分辨率观察样品。与X射线研究相比，透射电镜只能检测样品的一小部分，因此整个样品的统计可靠性较低，但相关数据更详细、更直观……研究人员结合从各种设备收集的数据，证实了化合价梯度在电池性能中起着关键作用。价态梯度可以“隐藏”材料中心电容较大的不稳定镍区，只暴露材料表面结构更稳定的镍。这种重要的布置抑制了裂缝的形成。
这项研究强调了浓度梯度材料对电池性能的积极影响。同时提出了一种新的互补方法，通过价态梯度稳定高镍正极材料。研究人员表示:“这些发现对于未来新材料的合成和阴极材料的设计具有重要的指导意义。我们将在未来的研究中应用它。”
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