Gasco News 据外媒报道，由美国能源部布鲁克海文国家实验室化学家领导的研究小组探索了正极材料中一种叫做价梯度的特性，以了解其对电池性能的影响。结果表明，价态梯度可作为稳定高镍正极结构以防止降解和安全问题的新方法。

（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

高镍正极容量高，相比之下使用现有的电池材料，可为电动汽车提供更长的续航里程。但是，在电池循环过程中，高镍含量也会导致正极材料降解更快，从而产生裂纹和稳定性问题。为了解决这些结构问题，科学家们合成了具有镍浓度梯度的材料。在这种材料中，镍含量从表面到中心（或整体）逐渐变化。这些材料表现出很大的稳定性，但不确定这是否仅仅是由浓度梯度引起的。传统上，浓度梯度离不开另一种效应，称为价梯度，即镍的氧化态从材料表面到本体的逐渐变化。

在布鲁克海文实验室领导的这项新研究中，阿贡国家实验室的化学家合成了一种独特的材料，可以改变价态梯度从浓度分离到梯度。主要研究员林若倩说：“我们使用了一种非常独特的材料，其中只有镍价态的梯度，而没有镍的浓度梯度。在正极材料中，三种过渡金属的浓度从表面到整体都是一样的，但镍的氧化态发生了变化。在合成过程中，我们通过控制材料的煅烧时间等因素来实现这些特性。当煅烧时间足够时，锰与氧的结合强度更高，从而将氧推入材料的核心，同时保持表面的Ni2+氧化态，形成价梯度。"

在化学家成功合成具有独立价梯度的材料后，布鲁克海文实验室的研究人员利用美国能源部所在地布鲁克海文实验室的两个科学办公室用户设施——国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 和功能纳米材料中心 (CFN)

在超亮X射线源NSLS-II中，研究团队使用了两个尖端的实验站——硬X射线纳米探针（HXN）光束线和全场X射线成像（FXI）光束线。通过结合这两条光束线，研究人员可以在电池运行多次循环后以3D方式观察样品的原子结构和化学成分。

勇楚,华信光束线首席科学家说：“这两条光束线都具有世界领先的能力。你不能在其他地方做这项研究。 FXI 是世界上最快的纳米光束。类似的设施大约快十倍。 HXN 的速度要慢得多，但更灵敏，是世界上分辨率最高的 X 射线成像光束。”

HXN 光束线科学家黄晓静说：“在 HXN，我们的测量通常是在多个模态模式，这意味着我们可以同时采集多个信号。在本研究中，我们使用荧光信号和光刻学信号在纳米尺度上重建样品的 3D 模型。荧光 通道可以提供元素分布以验证样品的成分和均匀性。植物图谱通道提供高分辨率结构信息，可以完整显示样品中的微裂纹。”

同时，在FXI中，“光束线显示了价梯度是如何存在的在这种材料中。我们以非常高的数据收集率执行全帧成像，因此我们可以研究多个领域并提高统计可靠性。”

在 CFN 电子显微镜设施中，研究人员使用先进的透射电子显微镜 (TEM)超高分辨率观察样品。与X射线研究相比，TEM只能检测到样品的一小部分，因此整个样品的统计可靠性较低，但相关数据更加详细和直观。

研究人员结合从各种设备收集到的数据，证实价态梯度对电池性能起着关键作用。价态梯度可以“隐藏”材料中心电容较大但稳定性较差的镍区域，只暴露出镍的区域。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?材料表面更稳定的镍。这种重要的排列抑制了裂纹的形成。

本研究强调了浓度梯度材料对电池性能的积极影响。同时同时，提出了一种新的互补方法，通过价态梯度稳定高镍正极材料。研究人员表示：“这些发现对未来新材料的合成和正极材料的设计具有非常重要的指导意义。我们将在未来的研究中加以应用。”

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