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宁波材料所在富锂锰基正极材料方面取得系列进展
作者:,日期:2020-03-20

  目前,电动汽车面临续航里程短和安全性不足等问题,制约了其大规模推广。如果电动汽车拥有与燃油车相当的续航里程,消费者驾驶电动汽车时将不再有里程焦虑,有利于实现电动汽车的大规模推广。在目前已知的正极材料中,富锂锰基正极材料放电比容量高达300mAh/g,是当前商业化应用磷酸铁锂和三元材料等正极材料放电比容量的2倍左右。因此,富锂锰基正极材料被认为是新一代高能量密度动力锂电池的优选正极材料,是动力锂电池能量密度突破400Wh/kg的技术关键。近10年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所动力锂电池工程实验室刘兆平团队在富锂锰基正极材料方面开展了深入系统的研究。

  2016年,研究团队发展了通过表面氧空位有效提高富锂锰基正极材料电化学性能的新方法,并联合布鲁克海文国家实验室朱溢眉课题组、加州大学圣地亚哥分校孟颖教授课题组等国际上多个研究组成功解析了表面氧空位与晶格氧活性的正向关系(Nature Communications, 2016, 7, 12108)。为了进一步改善富锂锰基正极材料在循环过程中的电压衰减问题,研究团队通过深度化学脱锂手段在颗粒体相中引入大量纳米尺度缺陷,构建结构稳定的高缺陷态多相复合富锂正极材料,实现了循环过程中超低的电压衰减(Energy Storage Materials, 2019, 16, 220)。与此同时,研究团队发现富锂锰基正极材料的无序缺陷结构有利于激活晶格氧电化学动力学,从而发挥晶格氧的容量贡献,这为理解富锂锰基正极材料中的晶格氧活性的结构基础提供了重要的借鉴(ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 14, 14023)。为了直观地观察富锂锰基正极材料无序缺陷结构如何在充放电过程中产生,研究团队的合作伙伴加州大学圣地亚哥分校孟颖教授课题组及O. G. Shpyrko教授课题组利用共相干X射线衍射成像技术直接观察到位错的形成过程,研究团队则发现通过退火处理可以消除位错缺陷并恢复到有序结构,从而恢复衰减的电压。这一研究工作为发展消除电压衰减的解决方案提供了重要的见解,该研究成果发表在Nature Energy, 2018, 3, 641

  最近,研究团队再次联合加州大学圣地亚哥分校孟颖教授课题组、布鲁克海文国家实验室朱溢眉课题组等国内外多个研究团队,针对富锂锰基正极材料在循环过程中电压衰减的结构机理问题,深入研究了退火处理多次循环的材料,证实了材料的电化学性能和无序微观结构可以恢复到原始有序结构状态,利用原位加热同步辐射X射线衍射技术发现了材料结构的亚稳态是电压衰减的主要原因,通过中子衍射、高分辨透射电镜和DFT理论计算明确了无序缺陷生成对结构亚稳态和电压衰减的关键影响,从而详细解析了材料电化学与退火温度之间相互转化的机制。这一研究工作给出了富锂锰基正极材料在循环充放电过程中结构亚稳态和可逆性的基本认识,将为找到解决富锂锰基正极材料电压衰减问题的有效途径提供可能性,相关研究结果发表在Cell Reports Physical Sciences, 2020, 1, 100028(https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100028

  该系列成果得到了国家重点研发计划项目(2016YFB100100)、国家自然科学基金项目(21703271、21773279)、中国科学院国际伙伴计划对外合作重点项目(174433KYSB20150047)、宁波市“科技创新2025”重大专项(2018B10081)等项目的资助。

  为了加快将基础研究成果转化到实际应用中,研究团队还同步开展了富锂锰基正极材料的工程化技术研发,并创立了宁波富理电池材料科技有限公司推进富锂锰基正极材料的产业化。

图1 电化学性能、理论计算及其原位X射线衍射分析无序-有序结构的转变

图2 中子衍射和电子衍射分析循环及热处理前后无序-有序结构的转变

  (动力锂电池工程实验室 邱报)

 

 

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