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我校博士后王苏宁在锂离子电池高镍正极材料合成过程动力学方面取得新进展

来源:人事处(人才办)、材料科学与工程学院   作者:人事处(人才办)、材料科学与工程学院  编辑:梁祖福  浏览次数:  发布时间:2021-05-11 09:45:19

  在全球碳达峰、碳中和大背景下,新能源汽车和动力电池已成为大势所趋。消费者对电动汽车续航的高要求迫使锂离子动力电池正极材料向高能量密度材料发展。目前,三元层状正极材料Li(Ni,Co,Mn)O2已成为动力电池的主力,未来提升镍含量,其能量密度还将进一步增长。因此,三元材料高镍化逐渐成为动力锂电池正极材料发展的必然趋势,但是高镍三元材料发展已进入动力电池行业壁垒。三元正极材料的合成路径极其复杂,受焙烧温度、时间、氧气分压和反应物种类等多种因素影响,其合成反应路径及动力学特征的复杂性对高镍材料的发展构成巨大的挑战。

  为了探究其合成动力学问题,我校刘来君课题组2020级博士后王苏宁,与西安交通大学、德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、西班牙同步辐射光源中心(ALBA)、德国同步辐射光源中心(PETRA III)等相关科研人员合作,利用原位同步辐射衍射等技术研究高镍层状正极材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2高温合成过程中的结构衍变机理、长程有序结构动力学及晶体生长动力学特性。研究表明,氢氧化物前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2能在较低温度下(~ 400 °C)与锂源发生反应,生成层状无序Li1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2中间体,最后生成层状有序三元材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2(R3 ̅m,600 ~ 800 °C)。与氢氧化物前驱体不同,碳酸盐前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3在加热过程中自身分解为岩盐相(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O(Fm3 ̅m)和CO2,而CO2与锂源发生反应生成Li2CO3,使锂离子在较高温度下(高于Li2CO3熔点723 °C)才能被释放出来进入岩盐相(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O主体结构中。尽管Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2前驱体和Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3前驱体的反应路径不同,但它们都经历了由无序层状Li1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2到有序层状三元材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2的结构转变。对不同温度下Li/TM混排占位进行分析发现无序到有序相变为一级反应,反应活化能约为0.34 eV。通过分析晶粒尺寸随反应时间的递变规律,研究发现晶粒生长受限于离子界面扩散,其活化能约为0.52 eV。故反应温度是影响Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2中阳离子混排和晶粒尺寸最为关键的因素。该工作为高镍层状三元材料阳离子有序化及晶粒尺寸调控提供了科学依据。

  该研究成果以Kinetic Control of Long-range Cationic Ordering in the Synthesis of Layered Ni-rich Oxides为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials(影响因子16.836)上,并被选为期刊的Frontispiece(以七星公园骆驼峰为背景,广西绣球为创意),如下图所示。该文第一作者为在站博士后王苏宁,第一单位为拉斯维加斯游戏大厅。

  西班牙同步辐射光源中心ALBA以A STEP FORWARD IN THE OPTIMIZATION OF CATHODE MATERIALS FOR BETTER LITHIUM-ION BATTERIES题对该工作进行亮点成果报道,并指出“该成果可被直接用于更好的制备锂离子电池电子器件(The results can be directly applied to the production of better Li-ion batteries for modern electronics.)”。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202170134

论文发表情况

图1 a氢氧化物前驱体Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2和一水合氢氧化锂的变温同步辐射衍射图;b 物相组成随温度变化图;c 高温固相反应所对应的结构衍变机理图。