黄富强等在过渡金属氧化物正极材料研究方面取得新进展

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过渡金属层状氧化物（如LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiCoO2）凭借高电压、高可逆容量等优点，在锂离子电池正极材料领域取得广泛的应用。在反复充放电过程中正极材料颗粒由表及里发生副反应造成活性物质不可逆相变，导致容量降低和循环衰减，当前研究主要通过提升材料界面稳定性，来改善不同测试条件下的电化学性能。如何获得界面结构稳定的过渡金属氧化物正极材料是高能量密度锂离子储能体系必须解决的问题。中国科学院上海硅酸盐研究所先进材料与新能源应用研究团队与北京大学共同合作研究，提出新的界面稳定策略，在过渡金属氧化物正极材料研究中取得系列进展。
　　从中国传统瓷器艺术品裂纹釉中获得灵感，通过有机氟酸（四氟对苯二甲酸C8H2F4O4）刻蚀处理并结合高温煅烧制备出金属氟化物在一次/二次颗粒界面均匀包覆改性的LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2正极。该方法显著抑制材料晶间裂纹生长，提升了材料的长循环稳定性（25 °C，100%@400圈；60 oC，97%@200圈）。该方法也可以扩展应用至其它过渡金属氧化物正极材料体系，研究成果以“Amorphous fluorine glaze for crack-free nickel-rich layered cathode grains under electrochemical cycling”为题发表于Chemical Engineering Journal期刊，文章链接为https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135227。

改性LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2材料的制备示意图和形貌表征

高镍材料的电化学性能测试

改性LiCoO2的制备示意图和基本表征

钴酸锂材料的电化学性能测试

　　随着锂离子电池储能体系向高纬度、高海拔地区等应用场景的拓展，对正极材料的低温性能提出更高要求。通过一种新颖且简便的软化学法在LiCoO2表面上均匀包覆一层厚度约为5 nm的非晶磷酸锆层，可有效改善其在低温环境的使用性能。得益于较高的界面相容性和更小的极化程度，改性材料在-25 °C和4.6 V下表现出179.2 mAh g-1的高可逆比容量和优越的循环稳定性（91%@300圈）。通过EIS阻抗、接触角、GITT和TEM表征，证明改性材料表面的非晶包覆层对构建浸润性好、离子电导率高和稳定性强的固液电解质界面具有积极效果。研究成果以“Constructing Robust Cathode/Electrolyte Interphase for Ultrastable 4.6 V LiCoO2 under -25 °C”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊，文章链接为https://doi.org/10.1021/acsami.2c02818。
　　该系列研究的第一作者分别是上海硅酸盐所博士生董行和硕士生叶斌，通讯作者为董武杰助理研究员和黄富强研究员。该工作得到国家自然科学基金项目、国家博士后基金项目、上海市自然科学基金和上海市科技创新行动计划等项目的资助和支持。


      


        文章来源：上海硅酸盐所
       黄富强，上海硅酸盐所研究员，人社部百千万人才工程专家，国家杰出青年基金获得者、科技部重点领域创新团队负责人、国家重点研发计划首席科学家，中科院百人计划引进回国。围绕新能源材料的基础前沿及产业应用研究，取得的系列创新成果包括：1）发现了复杂晶体结构中原子基团的相似相聚特性，提出了多物理量协同的结构功能区新概念和堆积因子理论模型，发现了若干性能优异的新能源材料；2）提出了多尺度结构和性能的设计理论，发明了独特结构的类石墨烯和氮掺杂介孔少层碳，突破碳基双电层储能极限；3）发展出铜铟镓硒太阳能电池的低成本非真空新制备，完成兆瓦级中试，成功进行了示范电站的建立和运行。新型光电材料与器件的结构调控与性能优化项目，获上海市自然科学一等奖（2016年）、国家自然科学二等奖（2017年）。发表Science、Nature Mater.等在内的论文300余篇，他引13000余次，30余篇ESI高被引论文，入选2015、2016、2017年高被引学者。授权专利86项，其中13项专利许可费达1000万元。