使用燃烧来制造更好的电池

使用燃烧来制造更好的电池
麻省理工学院的一个团队正致力于利用燃烧产生有价值的材料，包括一些对制造锂离子电池至关重要的材料。
Chuwei Zhang、Sili Deng、Maanasa Bhat 和 Jianan Zhang 身着白色实验室外套站在一个用绝缘材料包裹并饰有电线的金属圆柱体后面
标题:从左到右：研究生 Chuwei Zhang、助理教授 Sili Deng、研究生 Maanasa Bhat 和博士后 Jianan Zhang 站在实验室规模的设备后面，他们用来研究一种低成本的合成锂离子电池关键材料的方法。
学分:照片：Gretchen Ertl
一个多世纪以来，世界上的大部分地区都在燃烧化石燃料。现在，为了避免气候变化的威胁，能源系统正在发生变化。值得注意的是，太阳能和风能系统正在取代化石燃料燃烧来发电和供热，电池正在取代内燃机为车辆提供动力。随着能源转型的推进，世界各地的研究人员正在应对随之而来的诸多挑战。

邓思莉的整个职业生涯都在思考燃烧问题。现在是麻省理工学院机械工程系的助理教授和 1954 届职业发展教授，Deng 领导一个小组，除其他外，开发理论模型以帮助理解和控制燃烧系统，使它们更有效并控制形成排放量，包括烟尘颗粒。

“所以我们认为，鉴于我们在燃烧方面的背景，我们可以为能源转型做出贡献的最佳方式是什么？” 邓说。在考虑各种可能性时，她指出燃烧仅指过程——而不是燃烧的东西。“虽然当我们想到燃烧时通常会想到化石燃料，但‘燃烧’一词包含许多涉及氧气的高温化学反应，通常会发出光和大量的热，”她说。

鉴于这个定义，她看到了她和她的团队开发的专业知识的另一个作用：他们可以探索使用燃烧来制造用于能源转换的材料。在精心控制的条件下，燃烧的火焰可用于生产不会造成污染的烟灰，而是产生有价值的材料，包括一些在锂离子电池制造中至关重要的材料。

通过降低成本改进锂离子电池

预计未来几十年对锂离子电池的需求将猛增。电池将需要为不断增长的电动汽车车队提供动力，并储存太阳能和风能系统产生的电力，以便在这些资源停止发电时可以稍后交付。有专家预计，未来十年，全球对锂离子电池的需求量可能增长十倍甚至更多。

鉴于这样的预测，许多研究人员正在寻找改进锂离子电池技术的方法。邓和她的团队不是材料科学家，因此他们不会专注于制造新的更好的电池化学物质。相反，他们的目标是找到一种方法来降低制造所有这些电池的高成本。制造锂离子电池的大部分成本可以追溯到用于制造其两个电极之一——阴极的材料的制造。

麻省理工学院的研究人员开始通过考虑现在用于生产阴极材料的方法来寻求成本节约。原材料通常是几种金属的盐，包括锂，它提供离子——当电池充电和放电时移动的带电粒子。加工技术旨在生产微小颗粒，每个颗粒都由这些成分的混合物组成，原子排列在特定的晶体结构中，从而在成品电池中提供最佳性能。

在过去的几十年里，公司使用称为共沉淀的两阶段工艺制造了这些阴极材料。在第一阶段，金属盐（不包括锂）溶解在水中并在化学反应器中充分混合。添加化学物质以改变混合物的酸度（pH），并且由结合的盐组成的颗粒从溶液中沉淀出来。然后将颗粒取出、干燥、磨碎并过筛。

pH 值的变化不会导致锂沉淀，因此在第二阶段添加。固体锂与来自第一阶段的颗粒一起研磨，直到锂原子渗透到颗粒中。然后将所得材料加热或“退火”，以确保完全混合并实现目标晶体结构。最后，颗粒通过“解聚器”分离任何结合在一起的颗粒，然后出现阴极材料。

共沉淀产生所需的材料，但该过程非常耗时。第一阶段大约需要10个小时，第二阶段需要在相对较低的温度（750摄氏度）下进行大约13个小时的退火。此外，为了防止退火过程中开裂，温度会逐渐“升高”和降低，这又需要 11 个小时。因此，该过程不仅耗时而且耗能且成本高。

在过去的两年里，邓和她的团队一直在探索制造正极材料的更好方法。“燃烧在氧化方面非常有效，锂离子电池的材料通常是金属氧化物的混合物，”邓说。既然如此，他们认为这可能是一个使用称为火焰合成的基于燃烧的过程的机会。

一种制备高性能正极材料的新方法

Deng 和她的团队——机械工程博士后 Jianan Zhang、Valerie L. Muldoon '20、SM '22 以及目前的研究生 Maanasa Bhat 和 Chuwei Zhang——的第一项任务是为他们的研究选择目标材料。他们决定专注于由镍、钴、锰和锂组成的金属氧化物混合物。这种被称为“NCM811”的材料被广泛使用，并已被证明可以生产高性能电池的阴极；在电动汽车中，这意味着更长的行驶里程、快速放电和充电以及更长的使用寿命。为了更好地确定他们的目标，研究人员查阅了文献以确定 NCM811 的组成和晶体结构，该材料已被证明可作为阴极材料提供最佳性能。

然后他们考虑了三种可能的方法来改进合成 NCM811 的共沉淀过程：他们可以简化系统（以降低资本成本）、加快过程或减少所需的能量。

“我们的第一个想法是，如果我们能在一开始就将所有物质——包括锂——混合在一起会怎么样？” 邓说。“那么我们就不需要这两个阶段了”——这是对共沉淀的明显简化。

介绍 FASP

化学和其他行业广泛用于制造纳米粒子的一种工艺是一种称为火焰辅助喷雾热解或 FASP 的火焰合成工艺。Deng使用 FASP 制造目标阴极粉末的构想如下。

前体材料——金属盐（包括锂）——与水混合，所得溶液通过雾化器以细小液滴的形式喷入燃烧室。在那里，燃烧的甲烷火焰加热了混合物。水蒸发，留下前体材料分解、氧化和固化以形成粉末产品。旋风分离器分离不同大小的颗粒，布袋除尘器过滤掉无用的颗粒。然后将收集到的颗粒退火并解聚。

为了研究和优化这一概念，研究人员开发了一种实验室规模的 FASP 装置，该装置由自制的超声波雾化器、预热部分、燃烧器、过滤器和抽出形成的粉末的真空泵组成。使用该系统，他们可以控制加热过程的细节：预热部分复制​​材料首次进入燃烧室时的条件，燃烧器复制通过火焰时的条件。该设置使团队能够探索能够提供最佳结果的操作条件。

他们的实验显示出比共沉淀明显的好处。雾化器将液体溶液分解成细小的液滴，确保原子级混合。水只是蒸发了，因此无需改变 pH 值或将固体与液体分离。正如邓指出的那样，“你只要放掉气体，剩下的就是粒子，这就是你想要的。” 由于一开始就包含锂，因此无需将固体与固体混合，这既不高效也不有效。

他们甚至可以控制形成的粒子的结构或“形态”。在一系列实验中，他们尝试将进入的喷雾暴露在随时间变化的不同温度变化率下。他们发现温度“历史”对形态有直接影响。没有预热，颗粒就会裂开；并通过快速预热，颗粒是空心的。当他们使用 175-225 摄氏度的温度时，效果最好。纽扣电池（用于测试电池材料的实验室设备）的实验证实，通过调整预热温度，他们可以获得能够优化电池性能的颗粒形态他们的材料。

最重要的是，粒子在几秒钟内形成。假设传统退火和解聚所需的时间，新装置可以在共沉淀所需总时间的一半内合成成品阴极材料。此外，共沉淀系统的第一阶段被更简单的设置所取代——节省了资本成本。

“我们非常高兴，”邓说。“但后来我们想到，如果我们改变了前驱体，使锂与盐充分混合，我们是否需要在第二阶段采用相同的工艺？也许不会！”