开发一种充电速度与给汽车加满汽油一样快的电动汽车电池的关键在于其材料。
高镍层状氧化物阴极材料有可能使电动汽车电池充电更快、续航更远、续航时间更长。现在，由爱达荷国家实验室领导的一组研究人员了解到，由名为NMC811(80%镍、10%锰、10%钴)的富镍材料制成的阴极可以保持更长的寿命和更好的性能。虽然它不是一种独特的新化学物质，但NMC811可以提供一条获得更好性能的途径。了解它的属性将是关键。
世界正处于电动汽车的转折点。2022年，美国人购买的新车中有5.8%是电动汽车，高于2021年的3.2%，电动汽车总销量首次突破80万辆。但困扰该行业的一个挑战是开发一种可以在10到15分钟内反复充电的电池。极端快速充电给电池的每个组件都带来了巨大压力，化学、材料和电极工程方面的差异可能会对性能产生重大影响。
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锂离子电池通过将离子通过其电解质从阴极移动到阳极来提供能量。虽然研究人员开始更好地了解阳极上的锂电镀，但他们对极端快速充电对阴极的影响知之甚少。现在，由TanvirTanim领导的INL研究人员在2022年6月号的AdvancedEnergyMaterials上发表了一篇文章《全面了解极端快速充电对高镍NMC阴极的老化影响》。这篇文章解释说，随着电池行业转向镍含量更高的阴极，我们需要全面了解材料在极端快速充电过程中可能会如何降解。
该团队的研究详细描述了NMC811在不同快速充电条件下的老化行为，最极端的情况相当于超过200,000英里的行驶里程。该论文将NMC811的性能与NMC532(50%镍、30%锰、20%钴)进行了比较，NMC532是五年多前开始研究时电池中更主要的材料。
在不同的快速充电速率下，INL领导的团队使用一系列电化学技术来评估充电35%至100%的电池单元。这些研究的重点是失效机制，包括颗粒在循环过程中如何机械断裂。为了了解在不同的循环条件下发生了多少裂纹，研究人员使用先进的扫描电子显微镜技术来检查颗粒的结构。
Tanim表示，比较这两种正极材料，他们感到惊讶的是，尽管NMC811显示出更大的亚表面降解，但它显示出优于NMC532的循环寿命性能。他将此部分归因于NMC811中的分子排列方式可以创造更自由的锂离子通路。NMC811还具有比NMC532更高的电导率和离子电导率，提高了电池在重复使用时可以保持的电量。
此外，NMC811表现出较慢的阻抗增长。阻抗是内阻的量度，它很重要，因为高电阻会导致电池升温，从而降低电压并降低电池容量，直至无法使用。低阻抗电池可按需提供高电流。
总的来说，与镍含量较低的品种相比，NMC811显示出更高的比能——在一个放电周期中可以从电池获得的电能除以单个电池的质量——以及更好的导电性。由于钴的数量有限且价格昂贵，NMC811较低的钴含量也意味着成本较低。
在国家实验室完成的研究交给美国能源部，与科学界、电池开发商和汽车行业共享。“一些汽车制造商已经开始在阴极上使用NMC811，这使得这项研究尤为重要，”Tanim说。
Tanim表示，晶粒取向和结构对单粒子性能的复杂影响将是未来工作的重点。然而，总的来说，研究团队得出结论，由NMC811制成的阴极可能更适合可在10到15分钟内充电的电动汽车电池。“NMC811将为优化高能和功率电池提供更大的灵活性，”该论文称。
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