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科研进展|物质学院谢琎课题组与合作者在锂离子电池三元正极材料领域取得重要进展

时间:2020-12-02浏览:10设置

上??萍即笱镏恃г?strong style="margin:0px;padding:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;">谢琎课题组与上海交通大学化工系李林森课题组合作亚博网APP手机版_登录网页,在锂离子电池三元正极材料领域取得重要进展亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。近日亚博网APP手机版_登录网页,该研究成果以“Simultaneous enhancement of interfacial stability and kinetics of single-crystal LiNi0.6Mn0.2Co0.2Othrough optimized surface coating and doping”为题亚博网APP手机版_登录网页,在美国化学会旗下学术期刊Nano Letters上在线发表亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。

                           

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图1|单晶高镍材料表面ZrO2包覆层向Zr4+表面掺杂转化的示意图

锂离子电池为当前最受关注的电化学储能技术亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,其产能和应用场景在过去十年都发生了快速的增长亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。高镍层状氧化物正极材料[LiNixCoyMn1-x-yO2(x≥0.6), NCM]是构建高比能电池的关键之一亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,已在学术界和工业界引起广泛的关注亚博网APP手机版_登录网页。NCM中Ni含量的增加提供了更高的比容量,然而其结构和电化学循环稳定性都有所降低亚博网APP手机版_登录网页。NCM较差的稳定性与其机械和化学上的不稳定性密切相关亚博网APP手机版_登录网页。针对这一问题亚博网APP手机版_登录网页,该工作提出了一种全面的解决方案:通过原子层沉积(ALD)和后期热处理相结合的办法,同时将表面包覆和表面掺杂应用于微米级单晶NCM颗粒表面。与传统的多晶NCM颗粒相比亚博网APP手机版_登录网页,微米尺寸的单晶NCM可以消除材料在循环过程中发生的晶粒破碎亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。通过对由ALD制备的超薄ZrO2涂层进行可控的后退火处理亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,可以将部分ZrO2薄膜转化为表面的Zr4+掺杂亚博网APP手机版_登录网页,有效抑制材料表面化学副反应并加快Li+在界面处的电荷转移亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页。改性后的材料具有极为出色的循环稳定性(1C,2.8-4.5 V亚博网APP手机版_登录网页,150次循环亚博网APP手机版_登录网页,容量保持率为98.5%)和倍率性能(5C下的容量保持率达到0.1 C时的80%)亚博网APP手机版_登录网页。此外亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,文章通过准原位和常规XPS表征亚博网APP手机版_登录网页,进一步探究了ZrO2原子沉积层向表面掺杂的转变过程亚博网APP手机版_登录网页。退火温度会影响包覆向掺杂的转化程度亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,在合适的退火条件下亚博网APP手机版_登录网页,Zr以涂层和表面掺杂的形式同时存在亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,两者的协同作用使单晶NCM的性能得到了大幅度的提升亚博网APP手机版_登录网页。该工作提出的单晶颗粒表面从ALD涂层到表面掺杂的转化方法为稳定高压锂离子电池正极材料提供一种新的思路亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,也为原子层沉积在设计储能材料界面中的应用开辟了新的机遇亚博网APP手机版_登录网页。

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图2|不同后退火温度下各材料的性能对比亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,其中经过500°C退火后的材料具有最为优异的循环和倍率性能 

物质学院谢琎课题组2018级硕博连读研究生包文达和上海交通大学2017级博士研究生钱冠男为该论文共同第一作者,谢琎教授和上海交通大学李林森特别研究员为论文共同通讯作者亚博网APP手机版_登录网页,该工作得到了上科大刘志教授课题组博士后蔡军亚博网APP手机版_登录网页、助理研究员余毅以及上海交通大学博士研究生孟德超、马紫峰教授的帮助和支持亚博网APP手机版_登录网页亚博网APP手机版_登录网页,同时感谢上科大物质学院电镜中心亚博网APP手机版_登录网页、分析测试平台的大力支持。上??萍即笱谝煌瓿傻ノ?。该项工作受到了上海市自然科学基金19YF1433300)亚博网APP手机版_登录网页、上科大启动经费和国家自然科学基金22008154)等的支持亚博网APP手机版_登录网页。


论文链接:

https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03778


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