高鎳正極材料將在先進鋰離子電池中發(fā)揮關鍵作用,但它存在著水分敏感性、副反應和氣體生成等問題。形成球形二次多晶NMC顆粒降低了表面/體積比,但通常在循環(huán)后觀察到沿脆弱的內部晶界的粉碎。這些裂紋是由循環(huán)過程中初級粒子體積的不均勻變化引起的,多晶復合材料中單個顆粒和晶粒之間的各向異性加劇了這一現(xiàn)象。晶間裂紋使新的表面暴露在電解液中發(fā)生副反應,加速了電池衰減。通過減少相邊界和材料表面積,單晶富鎳正極有很大的潛力來解決其多晶正極所面臨的挑戰(zhàn)。然而,盡管在單晶富鎳正極中存在著過電位、微觀結構和電化學行為之間的基本聯(lián)系,但合成高性能的單晶富鎳正極仍具有很大的挑戰(zhàn)性。由于富鎳陰極在高溫下的結構不穩(wěn)定性,高鎳含量的陰極需要較低的合成溫度,而不是需要高溫和耗時的煅燒過程來生長單晶。西北太平洋國家實驗室Jie Xiao在Science發(fā)表Reversible planar gliding and microcracking ina single-crystalline Ni-rich cathode,研究了單晶富鎳陰極的可逆平面滑動和微裂紋,此項研究登上了Science封面。
圖4. 利用原位AFM和力學分析研究單晶NMC76的表面結構和形貌鏈接:Reversible planar gliding and microcracking in a single-crystalline Ni-rich cathode. Science 370 (6522), 1313-1317.https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313/tab-pdf