延長電池壽命的關鍵？工程師解開數十年來的鋰離子電池謎團

德克薩斯大學達拉斯分校（UT Dallas）的研究人員發現了鎳酸鋰（LiNiO₂）電池退化的原因，並正在測試一種解決方案，以提升其穩定性並推動商業化應用。他們的方法涉及強化陰極結構，並計劃利用機器人製造技術擴大電池生產規模。

研究人員找出了LiNiO₂電池退化的原因，並開發出一種結構強化方法，這可能使其應用於更耐用的鋰離子電池成為現實。

鎳酸鋰（LiNiO₂）是一種具有前景的下一代鋰離子電池材料，能延長電池壽命。然而，在多次充電循環後的退化問題一直阻礙其商業化應用。德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員找出了這種退化的原因，並測試了一個可能克服其廣泛使用障礙的解決方案。他們的研究結果最近發表於《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）期刊。

該團隊的目標是首先在實驗室中生產LiNiO₂電池，並最終與產業夥伴合作將這項技術推向市場。

「數十年來，使用LiNiO₂製造的電池退化一直是一個問題，但其原因尚未被充分理解，」材料科學與工程學教授、埃里克·瓊森工程與計算機科學學院的Kyeongjae Cho博士說道。他同時也是「電池與能源推進商業化和國家安全」（BEACONS）計劃的主任。「現在我們清楚了解了這一現象的原因，我們正在研究解決方案，以便這項技術能應用於提供更長壽命的電池，涵蓋從手機到電動車的各種產品。」 

Kyeongjae Cho博士（左），材料科學與工程學教授，以及博士生Matthew Bergschneider發現，鎳酸鋰中涉及氧原子的化學反應導致材料不穩定並產生裂縫。
 

這項研究是UTD BEACONS計劃的一部分，該計劃於2023年由美國國防部提供3000萬美元資金啟動。BEACONS的使命是開發和商業化新型電池技術與製造流程，提升國內關鍵原材料的可得性，並為不斷擴張的電池能源儲存勞動市場培養高素質的專業人才。

 電池退化的計算分析

 為了探究LiNiO₂電池在充電最後階段退化的原因，UT Dallas的研究人員使用計算模型分析了這一過程。研究涉及理解原子層面的化學反應以及通過材料的電子重新分佈。 

在鋰離子電池中，電流從稱為陰極（正電極）的導體流出，進入陽極（負電極）。陽極通常由碳石墨製成，能以較高的電位儲存鋰離子。在放電過程中，鋰離子通過電解質返回陰極，並將電子送回含鋰的陰極，產生電化學反應並生成電力。陰極通常由包括鈷在內的材料混合製成，而鈷是一種稀有材料，科學家們希望用包括鎳酸鋰在內的替代品取代它。 

UTD研究人員發現，LiNiO₂中涉及氧原子的化學反應導致材料不穩定並產生裂縫。為了解決這個問題，他們開發了一個理論解決方案，通過添加帶正電的離子（陽離子）來強化材料，改變其屬性，形成「支柱」以增強陰極穩定性。

Matthew Bergschneider，這位研究的首位作者已開始建立一個基於機器人的實驗室，製造電池原型，探索設計出的支柱型LiNiO₂陰極的高通量合成過程。機器人功能將協助材料的合成、評估和表徵。 

「我們將首先少量製造並優化流程，」Bergschneider說，「然後，我們將擴大材料合成規模，每週製造數百個電池。這些都是商業化的踏腳石。」 

參考文獻 《通過支柱結構對抗LiNiO₂中陰離子氧化還原引起的機械退化》，作者：Matthew Bergschneider、Fantai Kong、Patrick Conlin、Taesoon Hwang、Seok-Gwang Doo及Kyeongjae Cho，2024年12月10日，《先進能源材料》。