隨著電池行業(yè)向高鎳正極轉(zhuǎn)變，例如LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂[NMC811]，需要全面了解NMC811在極快充電(XFC)（XFC，≤10-15分鐘充電）條件下的降解機(jī)制。這種全面的理解將確定需要解決的最關(guān)鍵的材料差距，以使XFC長壽命電池用于電動汽車。

愛達(dá)荷州國家實驗室Tanvir R. Tanim等確定了NMC811正極在不同快充條件下的主要老化機(jī)制，將它們的影響與電極和電池級性能聯(lián)系起來，并將性能與之前報道的NMC532正極進(jìn)行了比較。

圖1 電池極化和老化數(shù)據(jù)

為加深對XFC期間NMC811的性能和失效的理解，作者采用石墨/NMC811單層軟包電池（SLPC）進(jìn)行了一系列有針對性的研究和測試后分析，包括不同快速充電倍率（例如1C到9C）和荷電狀態(tài)(SOC，35%到100%之間)的評估。

先進(jìn)的顆粒表征，包括電子背散射衍射（EBSD）和掃描電子顯微鏡（SEM），用于量化顆粒的結(jié)構(gòu)特征，并可視化顆粒內(nèi)裂紋的大小以作為循環(huán)條件的函數(shù)。此外，兩種不同的建模工具（例如，偽2D[P2D]和連續(xù)損傷模型）應(yīng)用于不同長度尺度的性能和老化現(xiàn)象，以解釋NMC811正極的行為。

圖2 Gr/NMC811電池在不同XFC下的循環(huán)壽命和老化性能

研究發(fā)現(xiàn)，將NMC811與NMC532進(jìn)行比較時，NMC811正極表現(xiàn)出更嚴(yán)重的開裂和表面相間問題，但在容量衰減、阻抗上升和充電損失方面沒有表現(xiàn)出相應(yīng)的影響。例如，對于4C（15分鐘充電）和6C（10分鐘充電）之間的充電倍率和4.1 V充電截止電壓下循環(huán)600次后，與NMC532相比，NMC811的容量保持率提高了4.6倍至3.15倍。與NMC532類似，較高的充電倍率會導(dǎo)致NMC811更多的表面界面問題，但這些問題對NMC811的電化學(xué)性能沒有明顯影響。對于所有充電倍率和電壓條件，在可比的倍率和循環(huán)中，NMC811的開裂和表面相間問題比NMC532更嚴(yán)重。

此外，在開裂和表面問題之間，開裂與正極容量衰減和阻抗上升更相關(guān)，這與NMC532的早期發(fā)現(xiàn)一致。即使在激進(jìn)的充電倍率（即 9C）下，將充電截止電壓限制在低于4.1 V的情況下，也會對減少電池和正極老化產(chǎn)生有利影響。此外，NMC顆粒的P2D和3D連續(xù)模型以及映射證實，盡管NMC811比NMC532表現(xiàn)出更大的機(jī)械損傷，但其優(yōu)越性能是由于電子導(dǎo)電性、離子擴(kuò)散率和主要晶粒徑向取向的綜合效應(yīng)。

圖3 NMC811電極在不同XFC和不同循環(huán)圈數(shù)下的代表性SEM圖像

A Comprehensive Understanding of the Aging Effects of Extreme Fast Charging on High Ni NMC Cathode. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202103712