隨著鋰離子電池在電動汽車和小型電網(wǎng)儲能等方面的應(yīng)用，人們對其能量密度、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)起源和機理，對于提升高鎳材料的電化學(xué)性能，加快其產(chǎn)業(yè)化進程，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(jié)合電化學(xué)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(gòu)現(xiàn)象及相關(guān)機理進行了深入研究，該工作近日發(fā)表在能源材料領(lǐng)域知名期刊《先進能源材料》（Advanced Energy Materials， IF=24.884）上。此外，采用同步輻射技術(shù)對鋰電池高鎳層狀氧化物材料在制備過程中表面重構(gòu)對陽離子無序（鋰鎳混排）的影響及機理進行了深入系統(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。
潘鋒課題組采用獨特的原位同步輻射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過程和電化學(xué)循環(huán)過程中的表面重構(gòu)有很大的區(qū)別，具有形成速度快、降溫速率依賴等特點。進一步的電化學(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。
這兩個工作由新材料學(xué)院潘鋒教授和美國布魯克海文國家實驗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研發(fā)計劃、廣東省重點實驗室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。
