为了满足电子行业不断增长的需求并支持电动汽车的广泛部署，研究人员需要开发日益先进和高性能的电池技术。提高锂离子电池(LiB)性能的一种有前途的方法是使用富含镍(Ni)的层状氧化物作为阴极材料。
这些富镍正极具有许多优点，例如增加电池容量、提高其倍率性能并降低总体制造成本。尽管如此，迄今为止的研究也强调了它们的局限性，包括快速充电和长期循环过程中的容量退化和结构不稳定。
阿贡国家实验室和世界各地其他机构的研究人员最近推出了一种可以提高超高镍阴极结构稳定性和可靠性的策略。《自然能源》杂志上发表的一篇论文概述了这一策略，需要使用外延熵辅助氧化物涂层来抑制应变传播，该过程通常会导致电池快速充电和长时间循环期间阴极结构恶化。
“长期以来，表面重建和相关的严重应变传播一直被认为是快速充电和长期循环过程中阴极失效的主要原因，”赵晨、王传伟及其合作者在论文中写道。“尽管进行了巨大的尝试，但没有任何已知的策略可以在不牺牲能量和功率密度的情况下同时解决电化学机械不稳定性问题。
“我们报告了一种用于超高NiLiNixCoyMn1−x−yO2(x≥0.9)阴极的外延熵辅助涂层策略，通过Wadsley-Roth相氧化物和层状材料之间的定向附着驱动反应-氧化物阴极。”
从本质上讲，赵、王和他们的同事设计了一种与富镍阴极结构一致的特殊氧化物涂层。除了增强正极材料表面的坚固性之外，这些涂层还可以增强离子电导率，从而支持电池的快速充电。
该团队的涂层基于Wadsley-Roth晶体剪切相，这是一类化合物，被发现可以提高LiB中电极的性能。值得注意的是，这些化合物被发现可以更好地粘附在富镍阴极上，从而增强了其结构稳定性。长时间运行和快速充电。
“熵辅助表面的高抗裂和抗腐蚀能力以及快速的离子传输能力有效提高了超高镍正极的快速充放电能力、宽温耐受性和热稳定性。”和他们的同事写道。
“使用多尺度原位同步加速器X射线探针对初级和次级粒子水平到电极水平进行综合分析，结果表明，即使在充电时，晶格位错、各向异性晶格应变和氧释放也大大减少，并且整体/局部结构稳定性也得到了改善。超出了层状阴极的阈值充电状态(75%)。”
研究人员在一系列实验中评估了他们提出的涂层策略，他们涂覆了富镍层状阴极，然后测试了它们在不同条件下随时间的变化的性能。他们的发现非常有前景，因为他们的方法可以显着减少对阴极的损坏，即使在快速充电期间和多次操作周期后也是如此。
研究人员在论文中总结道：“我们预计这种外延熵辅助涂层策略将为高能和高功率锂离子电池及其他领域的设计和开发开辟表面工程机会。”
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