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新材料學院在鋰電池材料界面梯度重構提升性能方面取得重要進展

更新時間:2019-10-14 10:04:34
  鋰電池已經廣泛應用于手機和電動車。層狀材料有著較高的比容量,被作為動力電池的正極材料應用于國內外中高端電動汽車上(如特斯拉電動車),但隨著需求不斷的發展,人們對其能量密度、循環性能和倍率性能等方面的要求也越來越高。提升過渡金屬氧化物層狀正極材料各項電化學性能的方法多種多樣,其中通過摻雜其他元素,如(Al、Ti)等可以提升材料的循環性能和倍率性能,滿足當下對動力電池快充和壽命方面的需求,因此成為當下研究的熱點,如何有效摻雜及摻雜后性能提升的機理尚未了解,需要進一步研究。
圖 鋰電池層狀材料界面Ti梯度摻雜形成新型的界面重構及提升電池性能
  近日,由北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授領導的清潔能源中心研究團隊運用中子衍射、x-射線吸收譜(XPS)、高精度及原子尺度顯微鏡(HR-TEM及球差TEM)結合第一性原理量子化學計算,對鋰電池過渡金屬氧化物層狀材料界面Ti梯度摻雜形成新型的界面重構、提升電池充放電速率和循環穩定性及相關機理進行了系統的研究,該工作近日發表在能源材料領域知名期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Materials, IF=24.884)上。
  潘鋒課題組通過自主創新的Ti梯度摻雜的方法,在高鎳正極層狀材料LiNi0.8Co0.2O2(NC82)的表面構建了約6納米厚具有Ti-O結構基元及Li/Ni反位的新型界面結構。因為Ti-O強的化學鍵結合力,使得在合成的過程中界面的氧原子穩定性提高,該重構的界面能阻止材料與H2O、CO2和電解液的反應,在合成過程中抑制表面形成的雜相(如NiO類型的巖鹽相、Li2CO3等),從而提升材料的電化學性能,尤其是倍率性能和循環性能。 這種構造表面層狀相的保護機制,能夠克服常規表面惰性包覆方式對電荷傳輸的損害,為基于高鎳材料自身表面化學特性調控,獲得兼具高容量、高倍率、高穩定性的正極材料提供了新的手段。 
圖 高精度電子顯微鏡HR-TEM和原子精度的球差電鏡圖像
  本工作由新材料學院潘鋒教授指導完成,該論文共同第一作者為其碩士生孔德飛和博士生胡江濤,張明建、肖蔭果和潘鋒等老師為共同通信作者。
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