【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】電池正極材料的能量密度主要取決于工作電壓和比容量。因此，發(fā)展高電壓正極材料是提升電池能量密度的重要途徑之一。尖晶石鎳錳酸鋰(LiNi0.5Mn1.5O4)具有高工作電壓、三維鋰離子擴(kuò)散通道和低成本等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下一代快充電池正極材料的重要候選材料。然而，在高電壓工況條件下，鎳錳酸鋰不可避免的兩相反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致晶格應(yīng)變與應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致晶粒開(kāi)裂、過(guò)渡金屬溶出及界面失穩(wěn)，最終導(dǎo)致循環(huán)壽命不足。這一問(wèn)題在快充和高溫等極端服役條件下尤為突出，嚴(yán)重制約了實(shí)際應(yīng)用。
近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心科研團(tuán)隊(duì)在高電壓尖晶石正極材料研究方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了多組分體相摻雜策略，調(diào)控了材料反應(yīng)熱力學(xué)，延長(zhǎng)了固溶反應(yīng)區(qū)間，緩解高電壓相變引起的電化學(xué)-力學(xué)耦合失效，提升了鎳錳酸鋰正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和快充性能。該材料在10 C倍率下，循環(huán)4000圈后，容量保持率達(dá)81.8%，在軟包電池中表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用的潛力。成果以“Compositionally complex doping enables high-voltage spinel cathodes with ultrafast charging and chemo-electro-mechanical stability”為題發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)會(huì)刊》(Journal of the American Chemical Society)。金屬所博士生鄔慧澤、碩士生張琛昊為論文第一作者。李峰研究員、王春陽(yáng)研究員為論文通訊作者。
研究表明，一般鎳錳酸鋰在高壓區(qū)(>4.75 V)發(fā)生兩相反應(yīng)，導(dǎo)致晶格畸變，會(huì)引發(fā)顯著的電化學(xué)-力學(xué)耦合失效。多元素協(xié)同摻雜能夠有效拓寬固溶反應(yīng)區(qū)間，推遲兩相反應(yīng)的發(fā)生。原位X射線衍射結(jié)果表明，摻雜后材料在高電壓區(qū)仍保持連續(xù)固溶反應(yīng)特征，晶格收縮幅度明顯降低。多尺度電鏡表征、界面譜學(xué)表征表明，該策略可抑制晶粒開(kāi)裂、有害巖鹽相變及電極-電解液界面副反應(yīng)。該研究的多元素協(xié)同摻雜實(shí)現(xiàn)了高電壓尖晶石正極材料相變路徑的精準(zhǔn)調(diào)控，為高性能快充鋰離子電池正極材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了重要參考。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省杰出青年基金、興遼英才計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
圖1. 多組分摻雜調(diào)控相變路徑思路與材料結(jié)構(gòu)表征
圖2. 多組分摻雜正極材料的電化學(xué)性能全面評(píng)估
圖3. 多組分摻雜正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性表征
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