富鎳三元正極材料，因可逆容量高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的下一代高能量密度鋰離子動力電池正極材料之一。不過，界面穩(wěn)定性差、二次顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)衰退等問題，嚴(yán)重阻礙了該類正極材料的規(guī)模化應(yīng)用。

近日，長沙理工大學(xué)副教授李靈均，與廈門大學(xué)張橋保、美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室陸俊、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室等海內(nèi)外教授及團(tuán)隊(duì)合作完成了一項(xiàng)工作，通過第一性原理計算為指導(dǎo)，同步合成了鈦摻雜、鑭鎳鋰氧化物包覆的“雙重修飾”富鎳三元正極材料。這種簡單高效的合成方法，將有望大大降低高性能富鎳三元材料的生產(chǎn)門檻。成果日前發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)功能材料》上。

“在商業(yè)化正極材料中，層狀結(jié)構(gòu)的富鎳三元材料能量密度高(單體電池比能量可達(dá)280Whkg-1)、成本低，越來越受到市場青睞。然而，富鎳三元正極材料仍存在界面穩(wěn)定性差、二次顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)衰退等問題，嚴(yán)重阻礙其規(guī)模化應(yīng)用。”李靈均說。

為此，科研團(tuán)隊(duì)以鋰離子電池高容量富鎳正極材料為研究對象，歷時三年從分析鈦和鑭在富鎳三元材料表層的遷移勢壘出發(fā)，發(fā)現(xiàn)鈦摻入體相而鑭富集在表面的狀態(tài)為體系能量最低的狀態(tài)即穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)理論計算結(jié)果，他們合理設(shè)計并同步合成了鈦摻雜、鑭鎳鋰氧化物包覆的雙重修飾富鎳三元材料。

李靈均介紹，該材料展現(xiàn)出了良好的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及優(yōu)異的電化學(xué)性能。“在60攝氏度高溫下，經(jīng)過150次循環(huán)后，雙重修飾材料的容量保持率比純相富鎳材料提高了近兩倍，其能有效抑制富鎳材料在循環(huán)過程中表面納米尺度的結(jié)構(gòu)退化，從而增強(qiáng)富鎳材料的表面穩(wěn)定性。”

此外，研究團(tuán)隊(duì)采用全場透射X射線顯微成像對循環(huán)前、后的正極材料進(jìn)行可視化研究，證明雙重修飾抑制了正極材料二次顆粒內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生與循環(huán)過程中微裂紋擴(kuò)展，并揭示了循環(huán)后富鎳材料二次顆粒間Ni3+的不均勻分布得到抑制，材料二次顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著提升。

這一發(fā)現(xiàn)為富鎳三元材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了新思路和理論指導(dǎo)，有助于高能量密度鋰離子動力電池的發(fā)展。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、長沙市杰出創(chuàng)新青年培養(yǎng)計劃、美國能源部等的多項(xiàng)基金支持。