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北大深研院新材料學院發現鋰電池層狀正極材料制備過程升降溫時的表面重構規律
2020-1-2 11:33:37

  隨著鋰離子電池在電動汽車和小型電網儲能等方面的應用,人們對其能量密度、循環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。與目前商業化的鈷酸鋰、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勢,成為下一代動力電池正極材料的首選之一。然而,其較差的循環穩定性和倍率性能成為制約其商業化應用的主要因素。這和高鎳正極材料的表面結構和化學特性有很大的關系。因此,研究高鎳材料的表面結構,找出影響其電化學性能的結構起源和機理,對于提升高鎳材料的電化學性能,加快其產業化進程,具有十分重要的意義。
  近日,由北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授領導的清潔能源中心研究團隊和美國布魯克海文國家實驗室王峰和白健明教授合作,運用原位同步輻射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)結合電化學表征,對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現象及相關機理進行了深入研究,該工作近日發表在能源材料領域知名期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Materials, IF=24.884)上。此外,采用同步輻射技術對鋰電池高鎳層狀氧化物材料在制備過程中表面重構對陽離子無序(鋰鎳混排)的影響及機理進行了深入系統的研究,相關工作發表在著名期刊《材料化學雜志A》(Journalof Materials Chemistry A, IF=10.733)上。

圖1.高鎳層狀材料在降溫過程中的表面重構機理

  潘鋒課題組采用獨特的原位同步輻射X-射線衍射結合各種表面表征技術,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的表面重構現象,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。這一現象主要是由顆粒近表面區域的Li/O丟失引起的,發生在350度以上的高溫條件下。它和高鎳材料在存儲過程和電化學循環過程中的表面重構由很大的區別,具有形成速度快、降溫速率依賴等特點。進一步的電化學研究表明,降溫過程中采用淬火策略可以極大抑制表面重構現象,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-射線衍射系統地研究了NMC71515在合成過程中陽離子無序的熱力學和動力學行為,發現體相中的陽離子無序和表面重構行為(顆粒表面Li2CO3的分解和Li/O丟失)緊密相關。在此基礎上,通過調控表面重構,獲得了高

倍率和高容量的NMC71515。這兩個研究工作為基于高鎳材料自身表面化學特性調控,獲得高容量、高倍率、高穩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對鋰鎳混排的機理及調控

  這兩個工作由潘鋒和王峰、白健明共同指導完成。Advanced Energy Materials論文第一作者為張明建,潘鋒、白健明、王峰為共同通信作者。Journal of Materials Chemistry A論文第一作者為段彥棟和楊盧奕,潘鋒、王峰為共同通信作者。該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃,廣東省重點實驗室和深圳市科技創新委員會等項目的大力支持。

文章鏈接:
https://doi.org/10.1002/aenm.201901915
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c8ta10553g


來源:北京大學新聞網

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