新材料學(xué)院在原位探測鋰電池層狀材料制備過程結(jié)構(gòu)演化的研究取得進(jìn)展
? ?鋰離子電池（LIB）在便攜式電子設(shè)備，電動車等領(lǐng)域有著廣泛的用途。富Ni層狀氧化物正極材料，由于能量密度高、成本低等特點(diǎn)，已成為最有應(yīng)用前景的下一代LIB正極材料之一。然而，隨著層狀材料中Ni含量的增加，產(chǎn)生了許多相關(guān)的問題，如實(shí)際容量和理論容量相差大，熱穩(wěn)定性低，循環(huán)穩(wěn)定性差等。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ?在高Ni層狀材料中存在著獨(dú)特的Li/Ni無序的現(xiàn)象，即，部分Li+離子占據(jù)了過渡金屬（TM）層的3a位，而部分Ni2+離子占據(jù)了Li層的3b位。Ni2+在Li層的存在會極大阻礙了Li+離子的在充放電過程中的脫出和插入，從而降低材料的實(shí)際容量。因此，Li/Ni無序被認(rèn)為是導(dǎo)致高Ni材料實(shí)際容量低的重要原因之一。長久以來，Li/Ni無序在合成過程中何時發(fā)生，為什么發(fā)生，這些疑問一直沒有得到解答。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
? ? 近日，北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組和美國Brookhaven國家實(shí)驗室王峰教授課題組合作，針對這些問題通過同步輻射X射線原位探測鋰電池富Ni層狀氧化物正極材料在整個合成過程中的結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。研究中，采用多種同步輻射技術(shù)，包括X射線衍射（XRD），全散射（PDF）和吸收（XAS），在各種尺度下（長程和局域）對富Ni層狀材料LiNi0.77Co0.13Co0.10O2原位合成過程中的結(jié)構(gòu)演化過程進(jìn)行追蹤。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圖1 多模同步輻射X射線技術(shù)揭示高鎳材料在合成過程中的長程拓?fù)湎噢D(zhuǎn)變和局域多面體內(nèi)的結(jié)構(gòu)無序過程。
? ?團(tuán)隊通過原位同步輻射XRD揭示了長程尺度上發(fā)生的從層狀前驅(qū)體氫氧化物Ni0.77Co0.13Co0.10(OH)2到層狀氧化物L(fēng)iNi0.77Co0.13Co0.10O2的拓?fù)湎噢D(zhuǎn)變過程，以及相伴發(fā)生的先Li/Ni無序再Li/Ni有序的局域結(jié)構(gòu)變化過程；原位PDF和原位XAS相結(jié)合將局域八面體內(nèi)的Li/Ni無序過程與過渡金屬Ni/Co/Mn的氧化動力學(xué)關(guān)聯(lián)起來，揭示了NiO6八面體的對稱性破缺和重構(gòu)是Li/Ni無序現(xiàn)象發(fā)生的根本原因。這一原位實(shí)驗結(jié)果進(jìn)一步被理論計算結(jié)果所驗證。 這些發(fā)現(xiàn)揭示了高Ni層狀材料結(jié)構(gòu)無序的合成起源，為合成過程中降低甚至消除結(jié)構(gòu)無序提供了理論指導(dǎo)，有望顯著提升富鎳材料的實(shí)際容量及能量密度。該工作近日發(fā)表國際在化學(xué)和材料領(lǐng)域的知名雜志在‘美國化學(xué)會志（Journal of American Chemical Society，DOI：10.1021/jacs.8b06150，影響因子為14.357）上。
? ?該工作是在北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授、美國Brookhaven國家實(shí)驗室王峰教授、美國Argonne國家實(shí)驗室Khlil Amine教授和美國國家同步輻射光源NSLS II白健明教授的共同指導(dǎo)下，由博士后張明建及相關(guān)人員一起完成。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06150
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