中國(guó)粉體網(wǎng)訊 鋰離子電池由于具有高工作電壓、高能量密度以及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦等數(shù)碼產(chǎn)品與動(dòng)力市場(chǎng)中。近年來(lái)，隨著動(dòng)力鋰離子電池的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)動(dòng)力電池的能量密度、循環(huán)性能和安全性能提出了更高的要求，如何提高鋰離子電池的能量密度成為當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。
正極材料是限制高能量密度電池的關(guān)鍵因素之一，在保證鋰離子電池的可逆容量方面起著重要作用。因此，對(duì)正極材料的研究主要集中在提升其充放電容量以及循環(huán)穩(wěn)定性。
理想的正極材料應(yīng)具備以下優(yōu)勢(shì):
(1) 比容量和工作電壓高
(2) 材料結(jié)構(gòu)可逆性好
(3) 穩(wěn)定性高:正極材料表面與電解液之間副反應(yīng)較小且熱穩(wěn)定性較好
(4) 材料易制備，低毒且成本較低
目前已開發(fā)的正極材料根據(jù)結(jié)構(gòu)主要可以分為層狀、橄欖石型和尖晶石型。
層狀正極材料因其相對(duì)較高的可逆容量和較高的充電電壓而受到電池研究人員的關(guān)注。層狀正極材料具有更高的壓實(shí)密度和容量，鈷酸鋰在脫鋰量大于50%時(shí)發(fā)生析氧反應(yīng)，實(shí)際循環(huán)容量限制在140mAh/g左右。正極材料實(shí)際容量亟待提升。
層狀鈷酸鋰結(jié)構(gòu)示意圖
原子尺度LiCoO2正極的脫鋰結(jié)構(gòu)演化
鈷酸鋰是最早商業(yè)化的正極材料，然而其容量限制無(wú)法滿足要求。作為其替代品的高鎳正極材料應(yīng)運(yùn)而生，其目標(biāo)容量大于200 mAh g-1，充電電壓應(yīng)大于4.2 V (vs. Li/Li+)以滿足動(dòng)力市場(chǎng)所需要的能量密度。然而，電池工作電壓的增加不可避免地伴隨著大量的電極和電解質(zhì)的分解衰退，這也帶來(lái)了不可逆的結(jié)構(gòu)變化、微裂紋的形成和電極-電解質(zhì)界面內(nèi)持續(xù)的副反應(yīng)。因此，對(duì)層狀正極材料在高電壓下電池循環(huán)過(guò)程中潛在機(jī)制的理解對(duì)于開發(fā)下一代鋰離子電池至關(guān)重要。
2023年8月，中國(guó)粉體網(wǎng)將在山城重慶舉辦“2023先進(jìn)正極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨第一屆鈉離子電池材料技術(shù)研討會(huì)”。我們有幸邀請(qǐng)到中山大學(xué)材料學(xué)院的盧俠教授為我們帶來(lái)題為《高能量密度層狀正極材料》的報(bào)告。
層狀正極是開發(fā)高能量密度電池的關(guān)鍵材料之一，其在高脫鋰區(qū)間上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及離子擴(kuò)散過(guò)程都比較復(fù)雜，與能量傳遞相關(guān)的鋰的存儲(chǔ)與輸運(yùn)，以及不相關(guān)的過(guò)渡金屬遷移形成互占位等過(guò)程的機(jī)理目前爭(zhēng)論頗大，因此對(duì)應(yīng)之策也就迥異。簡(jiǎn)言之，“由外而內(nèi)”的改性策略往往需要“由內(nèi)而外”的科學(xué)認(rèn)識(shí)作為基礎(chǔ)，突破高能量密度的瓶頸就要闡明材料的工作機(jī)制。畢竟，正極材料是制約電池比容量的關(guān)鍵之一，而正極性能的提升直接改善電池的能量密度。
盧俠，中山大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，從事高能量密度電池的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金-區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)基金以及企業(yè)橫向等項(xiàng)目，并作為骨干參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。發(fā)表SCI論文，包括PNAS, Nature Commun., JACS等100余篇，被引用超過(guò)7000次，H-index為39，授權(quán)多項(xiàng)發(fā)明專利。2019年入選廣東省“珠江人才計(jì)劃”青年拔尖人才項(xiàng)目。
參考來(lái)源：
1.盧俠 鋰離子電池層狀正極脫鋰的結(jié)構(gòu)演化
2.李弘 設(shè)計(jì)高容量（>300 mAh/g）氧化物正極
3.常毅 鋰離子電池高容量層狀正極材料研究進(jìn)展
4.能源學(xué)人 層狀正極衰減新機(jī)制！去質(zhì)子化作用的原理解析
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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