【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近幾十年來，鋰離子電池中高容量層狀氧化物發(fā)展的主要技術(shù)路線是通過體相摻雜和表面修飾等方法，提高充電截止電壓，增大可逆脫嵌鋰能力。然而層狀氧化物高電壓深度脫嵌鋰時(shí)，晶格本征的應(yīng)力應(yīng)變及釋氧，引發(fā)不可逆相變，電化學(xué)性能衰退。考慮層狀氧化物中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和氧的堆疊在層狀氧化物功能中的作用，材料科學(xué)與工程學(xué)院夏定國教授課題組近年來系統(tǒng)探索了不同結(jié)構(gòu)過渡金屬層狀氧化物的電化學(xué)性能。
 

　　在富鎳正極材料中，構(gòu)建有序超結(jié)構(gòu)，調(diào)制材料顆粒形貌，優(yōu)化充放電過程中的應(yīng)力應(yīng)變特性，所制備的富鎳層狀過渡金屬氧化物不僅表現(xiàn)出239mAh g−1的高放電比容量，并在4.6V的高充電上限工作電壓200次循環(huán)后表現(xiàn)了94.5%的優(yōu)異保持率。與硅碳負(fù)極配對的鋰離子電池單體能量密度高達(dá)404Wh kg−1，300次循環(huán)后保持91.2%，該材料展示了其在電動汽車領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力。研究論文于7月23日在Nature Sustainability雜志在線發(fā)表。這項(xiàng)工作不僅將鎳基鋰離子電池的能量密度提升至400Wh kg−1的水平，而且為正極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新策略。楊同歡、張琨為第一作者，夏定國為論文通訊作者。
 

　　在錳基富鋰層狀正極材料中構(gòu)建具有高鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的孿生結(jié)構(gòu)，在不同的鋰離子擴(kuò)散通道之間搭建"橋梁"，實(shí)現(xiàn)二維材料具有三維鋰離子擴(kuò)散特性。制備的材料在0.1C時(shí)的比容量為303mAhg-1，在1C時(shí)的比容量為253mAhg-1。更重要的是，孿生結(jié)構(gòu)還起到了"防波堤 "的作用，抑制了錳離子的遷移，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了長期循環(huán)穩(wěn)定性，在200次循環(huán)后，1C下的容量保持率為 85%。這種在層狀富鋰正極中構(gòu)建三維鋰離子擴(kuò)散通道的策略將為其他層狀氧化物正極的研究和開發(fā)開辟新的途徑，并有可能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。該成果發(fā)表在Advanced Materials【2023，35(52)】、EnergyStorage Materials(2024,71)上，第一作者是楊亞麗博士，夏定國為論文通訊作者。同時(shí)，針對錳基富鋰層狀正極材料提出未來的發(fā)展方向，論文于年6月22日在Advanced Materials在線發(fā)表。李彪是第一作者，夏定國為論文通訊作者。
 

圖1a 富鎳層狀正極材料中[001]方向原子排列；b 電化學(xué)性能
 

圖2a 錳基富鋰正極材料孿晶結(jié)構(gòu)；b 電化學(xué)性能
 

　　上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB2502100)和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題(No.53130202)的支持。