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深研院新材料学院在锂电池无钴层状正极材料取
发布人: 和记娱h88 来源: 和记娱乐官方网登录注册 发布时间: 2021-02-23 13:47

  随着汽车工业逐渐向电动化转移,高性能电池的需求将大大地增加。在过去的三十年,电池技术的革新已经取得了巨大的成功,能量密度大幅提升。当前,电动化时代面临的主要挑战是电池高昂的成本。电池的成本问题主要与急速增加的原料价格有关,其中尤其是作为主要成分的钴。近年来,由于主要产地的动荡,等问题严峻,钴矿的价格节节攀升,已经变成最重要的战略资源之一,这也严重地影响了电池的成本。为了缓解成本压力,电池工业及科研单位纷纷投入到发展少钴甚至无钴电池材料行列。尽管近期一些无钴材料,类如富锂材料,高电压锰酸锂,无序岩盐正极材料被视为潜在的替代材料,但是这些材料在电化学性能上还有较多不足,距离大规模商业化还有一定的距离。因此,当前发展少钴以及无钴材料仍主要依赖于镍锰钴(NMC)三元层状氧化物正极材料。富镍型的NMC正极材料具有高的能量密度和容量,因此以它为基础发展无钴材料是当下热门的研究课题。然而,用镍来直接取代钴已经被导致严重的电化学性能和安全性的下降,因此寻找有效的替代元素是发展无钴材料的当务之急。

  近日,潘锋课题组和美国阿贡国家实验室的Khalil Amine教授、Jun Lu研究员深入合作,为了进一步搞清楚Ni、Mn、Co这三个元素在三元层状氧化物各起什么作用,合作团队从二元过渡金属(NiCo和NiMn的6:4,8:2)开始研究,深入研究电池层状材料过渡金属自旋电子相互作用的构效关系,在发展无钴材料领域取得重大进展,相关发表在Nature Energy(2021,doi:10.1038/s46-y,影响因子为46.5)上。

  该合作团队结合原位同步辐射和球差电镜等技术以及量子化学计算,深入分析了钴元素在NMC正极材料的主要作用和提出了全新无钴材料组分。如图1所示,研究结果表明尽管钴有助于层状有序结构的形成,但它对电池的电化学性能和结构稳定性都有不利的影响,尤其是它在高电压下会引发结构失氧,以及过渡金属的迁移。同时,钴的存在也加重颗粒形貌的稳定性差的问题,加速了颗粒裂纹的产生。通过锰元素替代钴可以较好地缓解结构和形貌稳定性差的问题,并且得到更好的高电压性能。

  在这些机理研究的基础上,该合作团队进一步提出新组分LiNiαMnβXγO2(NMX,如图2所示)是极具潜力的无钴正极材料的发展方向,并验证该系列材料优异的性能。这项研究对高性能低成本无钴电池的发展具有重要的指导意义。

  该工作是由潘锋和Khalil Amine、Jun Lu共同指导下,由第一作者大学深圳研究生院新材料学院2019届博士毕业生刘同超(因为这些获得大学优秀博士)及相关人员一起完成,该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省创新团队项目的大力支持。

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