近日，國(guó)際權(quán)威綜合性科技期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）在線報(bào)道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院江浩教授和化工學(xué)院李春忠教授在鋰離子電池富鎳單晶三元正極材料理性設(shè)計(jì)和創(chuàng)新制備方面的最新研究成果，論文題目為“Unique insights into the design of low- strain single- crystalline Ni- rich cathodes with superior cycling stability”。
與多晶結(jié)構(gòu)相比，單晶富鎳三元正極材料在壓實(shí)密度和安全性能等方面具有突出優(yōu)勢(shì)，也是下一代全固態(tài)電池正極材料的首選。然而，單晶顆粒高溫鋰化時(shí)的煅燒溫度比多晶約高100°C，造成嚴(yán)重Li/O流失，產(chǎn)生更多的氧空位缺陷；加上充放電過(guò)程中由于鋰離子擴(kuò)散路徑長(zhǎng)導(dǎo)致其分布不均勻，從而引發(fā)晶面滑移和晶內(nèi)微裂紋產(chǎn)生，嚴(yán)重影響材料的電化學(xué)性能和循環(huán)穩(wěn)定性。對(duì)于不同鎳含量的單晶三元正極材料，由于可逆脫嵌的鋰離子數(shù)量不同，在顆粒內(nèi)部的應(yīng)力分布也不同，因而都會(huì)有相應(yīng)的最優(yōu)粒徑以避免循環(huán)過(guò)程中應(yīng)力集中。如何預(yù)測(cè)其最佳粒徑，并在實(shí)驗(yàn)上獲得驗(yàn)證具有非常重要的意義。
在這項(xiàng)工作中，以LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2（NCM83）正極材料為例，根據(jù)菲克第二定律和電流分布理論，建立了鋰濃度分布與粒徑R之間數(shù)學(xué)關(guān)系。將其帶入鋰離子擴(kuò)散誘導(dǎo)的應(yīng)力模型，動(dòng)態(tài)定量描述了單晶顆粒應(yīng)力分布，澄清了應(yīng)力與粒徑的動(dòng)態(tài)關(guān)系，建立了斷裂能與表面能隨粒徑變化的關(guān)系曲線，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壽命大單晶粒徑的理論預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示NCM83最佳顆粒尺寸為3.7微米。對(duì)于該單晶的合成，首先基于Ostward熟化定律，建立了溫度-粒徑-煅燒時(shí)間之間的關(guān)系，發(fā)展了高溫短時(shí)脈沖鋰化技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控高質(zhì)量單晶粒徑的新方法，成功合成了粒徑3.7微米的NCM83單晶顆粒，其應(yīng)力分布更加均勻，軟包全電池循環(huán)1000周后，容量保持率高達(dá)88.1%。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)和合成具有優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的高比能單晶富鎳三元正極材料提供了重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
上述研究工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生韓強(qiáng)、化工學(xué)院博士后余海峰在江浩教授和李春忠教授指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2317282121