新材料學(xué)院發(fā)現(xiàn)鋰電池層狀正極材料制備過程升降溫時(shí)的表面重構(gòu)規(guī)律
? ? 新材料學(xué)院2019年12月25日訊，我院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在研究工作中取得關(guān)鍵進(jìn)展。
? ? 隨著鋰離子電池在電動(dòng)汽車和小型電網(wǎng)儲(chǔ)能等方面的應(yīng)用，人們對(duì)其能量密度、循環(huán)性能和倍率性能等方面的要求也越來越高。鋰離子電池的正極材料是限制其能量密度提升的重要一環(huán)。與目前商業(yè)化的鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料相比，高鎳層狀材料具有容量高和成本低的優(yōu)勢，成為下一代動(dòng)力電池正極材料的首選之一。然而，其較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能成為制約其商業(yè)化應(yīng)用的主要因素。這和高鎳正極材料的表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性有很大的關(guān)系。因此，研究高鎳材料的表面結(jié)構(gòu)，找出影響其電化學(xué)性能的結(jié)構(gòu)起源和機(jī)理，對(duì)于提升高鎳材料的電化學(xué)性能，加快其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具有十分重要的意義。
? ? 近日，由北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的清潔能源中心研究團(tuán)隊(duì)和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室王峰和白健明教授合作，運(yùn)用原位同步輻射X-射線衍射譜、X-射線吸收譜（XPS）、掃描透射顯微鏡-電子能量損失譜（STEM-EELS）結(jié)合電化學(xué)表征，對(duì)鋰離子電池高鎳層狀氧化物材料在制備過程中的表面重構(gòu)現(xiàn)象及相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，該工作近日發(fā)表在能源材料領(lǐng)域知名期刊《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials， IF=24.884）上。此外，采用同步輻射技術(shù)對(duì)鋰電池高鎳層狀氧化物材料在制備過程中表面重構(gòu)對(duì)陽離子無序（鋰鎳混排）的影響及機(jī)理進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，相關(guān)工作發(fā)表在著名期刊《材料化學(xué)雜志A》（Journal of Materials Chemistry A, IF=10.733）上。
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圖1 高鎳層狀材料在降溫過程中的表面重構(gòu)機(jī)理
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? ? 潘鋒課題組采用獨(dú)特的原位同步輻射X-射線衍射結(jié)合各種表面表征技術(shù)，研究了高鎳層狀材料LiNi0.7Mn0.15Co0.15O2（NMC71515）在合成過程中由降溫誘導(dǎo)的表面重構(gòu)現(xiàn)象，包括Li2CO3在顆粒表面的堆積、表面缺Li層的形成及Ni3+的部分還原。這一現(xiàn)象主要是由顆粒近表面區(qū)域的Li/O丟失引起的，發(fā)生在350度以上的高溫條件下。它和高鎳材料在存儲(chǔ)過程和電化學(xué)循環(huán)過程中的表面重構(gòu)由很大的區(qū)別，具有形成速度快、降溫速率依賴等特點(diǎn)。進(jìn)一步的電化學(xué)研究表明，降溫過程中采用淬火策略可以極大抑制表面重構(gòu)現(xiàn)象，降低顆粒表面阻抗，顯著提升材料的倍率性能。此外，采用同步輻射X-射線衍射系統(tǒng)地研究了NMC71515在合成過程中陽離子無序的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)體相中的陽離子無序和表面重構(gòu)行為（顆粒表面Li2CO3的分解和Li/O丟失）緊密相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)控表面重構(gòu)，獲得了高倍率和高容量的NMC71515。這兩個(gè)研究工作為基于高鎳材料自身表面化學(xué)特性調(diào)控，獲得高容量、高倍率、高穩(wěn)定性的正極材料提供了新的手段。?
圖2 高鎳層狀材料在制備過程中表面重構(gòu)對(duì)鋰鎳混排的機(jī)理及調(diào)控? ? ?
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? ? 這兩個(gè)工作由新材料學(xué)院潘鋒教授和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室王峰和白健明老師共同指導(dǎo)完成。Advanced Energy Materials論文第一作者為張明建，潘鋒、白健明、王峰老師為共同通信作者。Journal of Materials Chemistry A論文第一作者為段彥棟和楊盧奕，潘鋒、王峰老師為共同通信作者。該工作得到了國家材料基因工程重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)等項(xiàng)目的大力支持。
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文章鏈接： https://doi.org/10.1002/aenm.201901915
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c8ta10553g
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