近日，《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）在線發(fā)表華東理工大學(xué)李春忠教授、江浩教授團(tuán)隊的研究成果。該研究團(tuán)隊利用Ta和Ce在鎳基層狀氧化物中擴(kuò)散能壘的差異，一步實現(xiàn)Ta5+摻雜和CeO2包覆的富鎳正極材料——電子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)、界面氧自由基調(diào)控雙管齊下，實現(xiàn)了體相晶格氧的完全穩(wěn)定，為解決高工作電壓下富鎳材料穩(wěn)定性提供了新思路。

在富鎳層狀正極材料中，由于Ni3+/4+: eg軌道和O2-: 2p軌道存在明顯的重疊，即σ-型雜化，充電過程中參與電荷補(bǔ)償?shù)难蹶庪x子會被部分氧化成O-自由基或氧氣，并從晶格中脫出與電解液反應(yīng)；同時，充電末期各向異性體積變化產(chǎn)生的微裂紋為電解液滲透提供通道，進(jìn)一步加劇晶格氧的流失。因此，如何在高工作電壓下抑制富鎳正極材料晶格氧的不穩(wěn)定性是發(fā)展高能量密度鋰離子電池的關(guān)鍵。



（左）Ni3+/4+: eg - O2-: 2p 軌道雜化，導(dǎo)致鎳氧化過程中晶格氧損失；（右）鋰化/脫鋰過程中各向異性體積變化導(dǎo)致電解液滲透，加重氧損失。

該研究采用密度泛函理論計算，探究了Ta摻雜前后電子結(jié)構(gòu)的變化。

結(jié)果表明摻雜的Ta作為正電荷中心可以為周圍的O陰離子提供額外電子，同時通過削弱Ni 3d-O 2p軌道雜化來減少氧陰離子參與的電荷補(bǔ)償行為，進(jìn)而在一定程度上提高晶格氧穩(wěn)定性。

此外，表面CeO2包覆層作為優(yōu)異的儲氧材料，能夠在晶格中析出的少量氧原子進(jìn)入電解液之前將其捕獲，并在放電過程中反哺給晶格，將不可逆的晶格氧析出轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娴木Ц裱踹w移，從而徹底解決富鎳正極材料晶格氧不穩(wěn)定的問題。



(111)晶面 Ni 3d, O 2p和Ta 5d 局部態(tài)密度；脫去90%鋰后LiNiO2(LNO)和Ta-doped LiNiO2(LNO-Ta)電荷密度分布的3D和2D等高線圖；NC、NCTa1和NCTa1-CeO2正極材料的原位電化學(xué)微分質(zhì)譜測試。

得益于巧妙的改性設(shè)計，即使在4.5 V高電壓下，富鎳材料也保持了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

與商用石墨負(fù)極組裝成的軟包全電池在1C下循環(huán)1000圈后容量保持率能夠達(dá)到90.9%，且在整個循環(huán)過程中庫倫效率大部分保持在99.9%以上，電壓平臺保持穩(wěn)定。



NCTa1-CeO2//石墨全電池在2.7-4.5 V電壓范圍內(nèi)的循環(huán)穩(wěn)定性和不同圈數(shù)充放電曲線 該研究利用巧妙的共改性策略，徹底解決了富鎳正極材料在高工作電壓下晶格氧電荷損失和氧化析出等問題；并且通過第一性原理計算、原位微分電化學(xué)質(zhì)譜和同步輻射X射線吸收譜等先進(jìn)手段，闡明了富鎳正極材料晶格氧的調(diào)控機(jī)制，為研發(fā)兼具高能量密度和長循環(huán)壽命的鋰離子電池提供了理論基礎(chǔ)和解決方案。





審核編輯：劉清