第一代电动汽车锂离子电池取得了显著的成功。然而，问题来了：电池材料的哪些变化将推动进一步的进步，以延长行驶里程并降低成本?
锂离子电池的正极或阴极是过去研究的重点。阴极是电池的主要部件之一。几种阴极材料候选材料有望使电池具有更高的能量存储能力，从而延长行驶里程。然而，由于未知原因，容量或在给定时间内流出的电流量往往会随着充放电循环而迅速下降。
美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的研究人员发现了一种最有前景的阴极材料在使用过程中性能下降的主要原因和方式。该材料是一种富含镍的锂镍锰钴 (NMC) 氧化物，呈纳米级单晶形式。在单晶中，所有原子都以相同的高度有序模式排列。
刘先生表示：“富含镍元素的三元锂尤其具有吸引力，因为它的镍含量高达 70-80%，是一种高容量材料，而且所需的钴要少得多。”钴价格昂贵，由于供应问题，被视为一种关键矿物。
通常，富镍 NMC 阴极由多种晶体形式或多晶体的颗粒组成，这些颗粒彼此随机取向。然而，在充放电循环过程中，这些簇会在晶体边界处破裂，阴极容量会迅速下降。
有人曾假设，用单晶代替多晶来制造阴极可以解决开裂问题，因为这样可以消除边界。然而，即使是单晶阴极也会过早失效，这让科学家们感到困惑。
为了揭示这一机制，该团队设计了一种结合多尺度 X 射线衍射和高分辨率电子显微镜的开创性方法。这些材料分析是在阿贡的先进光子源 (APS)、美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源和阿贡的纳米材料中心 (CNM) 进行的。这三个都是美国能源部科学办公室的用户设施。
“单凭电子显微镜的问题是，它只能提供单晶上一小块区域的快照，”CNM 材料科学家 Tao Zhou 说道。“虽然 X 射线衍射可以洞察许多粒子的内部结构，但它缺乏表面信息。我们的方法弥补了这一空白，提供了对 1 个、10 到 50 个和 1,000 个粒子规模的全面了解。”
单晶中的原子排列整齐，行列有序，称为晶格。该团队对单晶阴极进行了多方面的分析，提供了有关充电和放电时晶格变化的关键信息。
正如刘和周所解释的那样，引入电荷会引发晶格应变，导致晶格膨胀和旋转，破坏整齐有序的原子排列。放电时，晶格收缩至原始状态，但旋转保持不变。随着反复的充放电循环，旋转变得更加明显。阴极结构的这种变化会导致性能急剧下降。