【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高鎳層狀氧化物因其高能量和功率密度，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車長續(xù)航和快充功能的關(guān)鍵正極材料，目前主流商用正極材料是由尺寸約200 納米的等軸狀初級(jí)顆粒燒結(jié)形成的微米多晶二次顆粒。這些具有隨機(jī)取向的等軸晶初級(jí)顆粒中，非均勻鋰離子擴(kuò)散是造成多晶材料結(jié)構(gòu)退化、產(chǎn)生應(yīng)力開裂的主要誘因之一。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)B、Nb等元素?fù)诫s可實(shí)現(xiàn)初級(jí)顆粒從等軸晶到輻射狀柱狀多晶的生長，可顯著提升正極材料的電化學(xué)性能，因此柱狀晶正極材料迅速成為鋰電正極材料領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。然而到目前為止，柱狀晶正極材料性能提升背后的本質(zhì)原因尚不清楚。
 

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)炭材料研究部李峰研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部王春陽研究員及季華實(shí)驗(yàn)室譚軍研究員，在層狀氧化物正極材料的構(gòu)效關(guān)系研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合透射菊池衍射技術(shù)與多尺度掃描/透射電鏡技術(shù)，澄清了柱狀晶正極材料中的晶體學(xué)效應(yīng)，這一發(fā)現(xiàn)突破了領(lǐng)域的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，對(duì)發(fā)展高性能正極材料具有重要理論和實(shí)踐意義。相關(guān)成果以《Deciphering the Crystallographic Effect in Radially Architectured Polycrystalline Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries》為題，發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)期刊。博士生唐培和關(guān)思琦為論文第一作者。
 

　　該研究系統(tǒng)比較了等軸多晶正極材料與柱狀晶正極材料的結(jié)構(gòu)和性能差異，揭示了晶體學(xué)特征的調(diào)控對(duì)層狀氧化物多晶正極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的關(guān)鍵作用。結(jié)果表明，元素?fù)诫s并未導(dǎo)致具有擇優(yōu)取向柱狀晶的生成，其本質(zhì)是誘導(dǎo)生成了大量小角晶界和孿晶界，大角晶界的生成被顯著抑制。這一典型晶體學(xué)特征的變化促進(jìn)了一次顆粒間鋰離子的高效傳輸，顯著緩解了正極材料的開裂和相變退化，進(jìn)而提升了倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。本研究通過定量解析晶體學(xué)對(duì)性能的影響機(jī)制，為采用晶體學(xué)工程優(yōu)化多晶正極材料的鋰離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供了重要理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。
 

　　該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧省杰出青年基金等項(xiàng)目的資助。
 

圖1. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能
 

圖2. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的晶體學(xué)特征
 

圖3. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的晶界類型統(tǒng)計(jì)分析
 

圖4. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的結(jié)構(gòu)退化與應(yīng)力開裂分析