中國粉體網(wǎng)訊  高鎳三元正極材料（Ni≥90%）由于具有較高的能量密度而受到了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究。然而，其內(nèi)部及表界面結(jié)構(gòu)較差的穩(wěn)定性嚴重阻礙了其產(chǎn)業(yè)化應用的進程。因此，整體設計和開發(fā)體相晶格及表界面協(xié)同調(diào)控策略是解決高鎳正極材料高能量密度與長使用壽命和安全之間矛盾的重要手段。深入揭示晶格調(diào)控、表界面結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及相關(guān)穩(wěn)定機制，對提升高能量密度高鎳三元正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及促進其產(chǎn)業(yè)化應用的進程具有非常重要的意義。

近日，云南大學材料與能源學院（云南大學電鏡中心）郭洪教授團隊采用一步法合成了具有體相摻雜、亞表面超晶格和表面鋰離子導體修飾的新型LiNi_0.9Co_0.09Mo_0.01O₂高鎳正極材料，相關(guān)研究成果以“One-Step Calcination Realizing Bulk-Doped Surface-Modified Ni-Rich Cathodes with Superlattice for Long-Cycling LIBs”為題發(fā)表在國際期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

針對傳統(tǒng)體相摻雜及表界面包覆仍難以有效平衡高能量密度和高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，并結(jié)合前期的研究基礎(chǔ)，郭洪教授團隊通過一步法合成策略制備出了同時包含體相鈦（Ti）摻雜、亞表面鋰/鎳（Li⁺/Ni²⁺）有序超晶格及表面包覆鋰離子導體（Li₂TiO₃）的新型LiNi_0.9Co_0.09Mo_0.01O₂高鎳三元正極材料。Ti摻雜提升材料內(nèi)部金屬-氧鍵鍵強和電子電導率的同時，可增大鋰離子的遷移通道，有效提升正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。Li⁺/Ni²⁺有序超晶格層可以防止正極材料脫鋰后層狀結(jié)構(gòu)的坍塌，進一步提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而表面Li₂TiO₃鋰離子導體包覆層不僅可以改善正極材料的空氣穩(wěn)定性、抑制電解液與正極活性材料之間的副反應，還可以提升鋰離子在表界面的遷移動力學。三個方面的高效協(xié)同作用大大提升了該新型高鎳正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能。

郭洪介紹，高價態(tài)元素摻雜形成的新型高鎳正極材料，不但能很好地優(yōu)化一次晶粒的形貌，還能構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不影響鋰離子輸運的超晶格層，進而很好地消除二次顆粒在充放電過程中于內(nèi)部形成的微應力，優(yōu)化鋰離子的遷移路徑，有效提高正極材料在充放電循環(huán)及熱失控過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

此外，這項工作首先采用了DFT理論計算方法全面分析并揭示了Ti、鉬元素（Mo）及Li₂TiO₃鋰離子導體包覆層的形成機制和在結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，同時采用原位XRD表征手段對材料運行過程中晶體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律進行了深入研究，為高鎳正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定機制提供基本的理解，并為其進一步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用提供較好的技術(shù)保障。

參考資料：科技日報、新材料科訊、云南大學官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）

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