【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來，在“雙碳戰(zhàn)略”的大背景下，電動汽車、儲能電網(wǎng)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵芏取㈤L壽命鋰電池提出了更高需求。超高鎳單晶層狀氧化物，因其潛在的高能量密度和高穩(wěn)定性優(yōu)勢，是有望實現(xiàn)商業(yè)化的下一代鋰電正極材料之一。然而，超高鎳單晶正極材料的實用化面臨兩大主要挑戰(zhàn)：尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的鋰離子擴(kuò)散動力學(xué)不足以及高鎳含量導(dǎo)致的正極/電解液界面惡化問題。鋰離子擴(kuò)散動力學(xué)不足嚴(yán)重限制了超高鎳單晶比容量的發(fā)揮，而界面副反應(yīng)、過渡金屬溶解和表面結(jié)構(gòu)退化等則顯著縮短了材料的使役壽命。發(fā)展原子尺度晶體結(jié)構(gòu)調(diào)控新策略，實現(xiàn)正極材料的結(jié)構(gòu)—性能優(yōu)化設(shè)計，是解決以上挑戰(zhàn)的主要途徑之一。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部研究人員與北京大學(xué)合作，在高性能鋰電正極材料的設(shè)計制備及構(gòu)效關(guān)系研究方面取得了重要突破，通過發(fā)展“表面高熵化”包覆新策略，在超高鎳單晶正極材料中實現(xiàn)了表面高熵巖鹽相的構(gòu)筑，從而顯著提升了其電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性與使役壽命。該研究成果以“High-Entropy Rock-Salt Surface Layer Stabilizes the Ultrahigh-Ni Single-Crystal Cathode”為題發(fā)表于美國化學(xué)會期刊《ACS Nano》。
研究人員發(fā)展了一種基于鮑林電中性規(guī)則的“表面高熵化”策略。通過原位反應(yīng)將誘發(fā)鎳變價的鋯、增強(qiáng)鍵能的鋁引入超高鎳單晶LiNi0.92Co0.05Mn0.03O2表面，從而實現(xiàn)晶格外延的高熵巖鹽層構(gòu)筑。電化學(xué)測試、理化性質(zhì)分析和理論計算結(jié)果表明，“表面高熵化”具有以下兩方面作用：1.抑制晶格氧損失、減輕界面副反應(yīng)和減少電解液分解；2.增強(qiáng)鋰離子擴(kuò)散動力學(xué)、穩(wěn)定H2-H3相變并抑制有害相變。由于動力學(xué)性能和界面穩(wěn)定性的提高，該材料不僅展現(xiàn)出更高的可逆容量，而且在高溫、高截止電壓和超快充等極端條件下展現(xiàn)出使役壽命和快充性能的提升。例如，經(jīng)過600次循環(huán)，“表面高熵化”的超高鎳單晶容量保持率高達(dá)87%。該研究為提升超高鎳單晶材料的能量密度和使役壽命提供了創(chuàng)新性的解決方案。
金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部譚興華副研究員為該研究的主要完成人和共同通訊作者，金屬所與北京大學(xué)為共同通訊單位。王春陽研究員對該研究提供了指導(dǎo)與幫助。
圖1.“表面高熵化”構(gòu)建過程及性能優(yōu)化機(jī)理
圖2. 超高鎳單晶材料的電化學(xué)性能分析
圖3. 界面穩(wěn)定性分析
圖4. 鋰離子傳輸動力學(xué)性能分析
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