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漢陽(yáng)大學(xué)EES：用于先進(jìn)鋰離子電池的超細(xì)晶粒富鎳層狀正極

高能量密度的富鎳（Ni≥90%）層狀正極循環(huán)過程中發(fā)生的快速容量衰減阻礙了其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用，電動(dòng)汽車通常要求電池在500次循環(huán)后仍能保持其初始容量的 80%。將結(jié)構(gòu)陶瓷材料的晶粒尺寸減小到超細(xì)（< 500 nm）或納米級(jí)（< 100 nm）可以提高陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性，相同的機(jī)制可用于增強(qiáng)脫鋰的富鎳層狀正極斷裂韌性。

在此，韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)Yang-Kook Sun, Chong S. Yoon等人證明限制正極的初級(jí)粒徑解決了容量衰減問題，在電池循環(huán)穩(wěn)定性和正極初級(jí)粒徑之間觀察到線性關(guān)系。作者在不借助專門的加工技術(shù)的情況下將初級(jí)粒徑限制在遠(yuǎn)低于500 nm的水平，即通過將一系列摻雜劑引入Li[Ni_0.96Co_0.04]O₂ (NC96)正極材料以抑制鋰化過程中的晶粒生長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)粒度細(xì)化，從而賦予必要的機(jī)械韌性，以抵消與電荷端附近相轉(zhuǎn)變相關(guān)的高內(nèi)部應(yīng)變。

圖1. 不同鋰化條件下的顆粒形貌和過渡金屬元素的分布

在研究的摻雜劑中，Mo實(shí)現(xiàn)了最大的細(xì)化效果。通過引入Mo抑制了一次顆粒的生長(zhǎng)/固結(jié)，從而將Li[Ni_0.95Co_0.04Mo_0.01]O₂（NCMo95）的循環(huán)壽命提高到商業(yè)級(jí)水平。NCMo95正極的微觀結(jié)構(gòu)旨在減輕富鎳層狀正極的機(jī)械不穩(wěn)定性，代表了具有長(zhǎng)循環(huán)壽命和快速充電能力的下一代高能量密度正極。

此外，NCMo95正極與當(dāng)前的商業(yè)正極相比具有材料成本優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镃o是一種相對(duì)昂貴且日益稀缺的資源，可在不影響電池容量和壽命的情況下用Ni替代。

圖2. NCA95和NCMo95正極的電化學(xué)性能

圖3. 不同摻雜NC96正極的顆粒形態(tài)和電化學(xué)性能的比較

Ultrafine-grained Ni-rich layered cathode for advanced Li-ion batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02898G

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