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新材料學院在鋰電池無鈷層狀正極材料取得重大進展
日期:2021-02-20 21:01:22 新材料學院 點擊:


隨着汽車工業逐漸向電動化轉移,高性能電池的需求將大大地增加。在過去的三十年,電池技術的革新已經取得了巨大的成功,能量密度大幅提升。當前,電動化時代面臨的主要挑戰是電池高昂的成本。電池的成本問題主要與急速增加的原料價格有關,其中尤其是作為主要成分的鈷。近年來,由於主要產地的政治動盪,人權道德等問題嚴峻,鈷礦的價格節節攀升,已經變成各國最重要的戰略資源之一,這也嚴重地影響了電池的成本。為了緩解成本壓力,電池工業及科研單位紛紛投入到發展少鈷甚至無鈷電池材料行列。儘管近期一些無鈷材料,類如富鋰材料,高電壓錳酸鋰,無序岩鹽正極材料被視為潛在的替代材料,但是這些材料在電化學性能上還有較多不足,距離大規模商業化還有一定的距離。因此,當前發展少鈷以及無鈷材料仍主要依賴於鎳錳鈷(NMC)三元層狀氧化物正極材料。富鎳型的NMC正極材料具有高的能量密度和容量,因此以它為基礎發展無鈷材料是當下熱門的研究課題。然而,用鎳來直接取代鈷已經被證實導致嚴重的電化學性能和安全性的下降,因此尋找有效的替代元素是發展無鈷材料的當務之急。

北京大學深研院新材料學院潘鋒教授課題組近年來探索鋰電池材料基因研究組學和d-電子結構化學(J. Am. Chem. Soc.2015,137, 8364,2016,138, 13326-13334;2018,140, 12484,J. Phys. Chem. Lett.2017,8, 5537;Nano energy2018,49, 77),從關鍵過渡金屬元素及其構成功能結構基元出發,發現這些結構基元的連接方式和電子自旋相互作用將引起的磁阻搓和超交換作用導致Li/Ni反位機理(Acc. Chem. Res.2019,10.1021/acs.accounts.9b00033)。

近日,北京大學深研院新材料學院潘鋒教授課題組和美國阿貢國家實驗室的Khalil Amine教授、Jun Lu研究員深入合作,為了進一步搞清楚Ni、Mn、Co這三個元素在三元層狀氧化物各起什麼作用,合作團隊從二元過渡金屬(NiCo和NiMn的6:4,8:2)開始研究,深入研究電池層狀材料過渡金屬自旋電子相互作用的構效關係,在發展無鈷材料領域取得重大進展,相關成果發表在Nature Energy (2021,doi:10.1038/s41560-021-00776-y,影響因子為46.5)上。


圖1.富鈷材料和無鈷材料在高電壓循環過程中結構和形貌演變。

該合作團隊結合原位同步輻射和球差電鏡等技術以及量子化學計算,深入分析了鈷元素在NMC正極材料的主要作用和提出了全新無鈷材料組分。如圖1所示,研究結果表明儘管鈷有助於層狀有序結構的形成,但它對電池的電化學性能和結構穩定性都有不利的影響,尤其是它在高電壓下會引發結構失氧,以及過渡金屬的遷移。同時,鈷的存在也加重顆粒形貌的穩定性差的問題,加速了顆粒裂紋的產生。通過錳元素替代鈷可以較好地緩解結構和形貌穩定性差的問題,並且得到更好的高電壓性能。

在這些機理研究的基礎上,該合作團隊進一步提出新組分LiNiαMnβXγO2(NMX,如圖2所示)是極具潛力的無鈷正極材料的發展方向,並驗證該系列材料優異的性能。這項研究對高性能低成本無鈷電池的發展具有重要的指導意義。

圖2.全新的無鈷層狀正極材料LiNiαMnβXγO2


該工作是由潘鋒教授和美國阿貢國家實驗室的Khalil Amine教授、Jun Lu研究員共同指導下,由第一作者北京大學深圳研究生院新材料學院2019屆博士畢業生劉同超(因為這些成果獲得北京大學優秀博士)及相關人員一起完成,該工作得到了國家材料基因工程重點研發計劃、廣東省創新團隊項目的大力支持。

//www.nature.com/articles/s41560-021-00776-y


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