中國(guó)粉體網(wǎng)訊  動(dòng)力電池作為新能源汽車(chē)的核心部件之一,，決定著新能源汽車(chē)的發(fā)展水平,。為保持我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),，必須大力推進(jìn)動(dòng)力電池技術(shù)進(jìn)步,，把握新一輪電池技術(shù)變革的戰(zhàn)略主動(dòng)。電池比能量作為決定新能源汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的關(guān)鍵因素,，是牽引動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展的核心指標(biāo),。當(dāng)前,，商業(yè)化動(dòng)力電池單體比能量已接近300Wh/kg,，逐漸逼近現(xiàn)有材料體系的極限。唯有通過(guò)電池材料體系創(chuàng)新,，才可突破傳統(tǒng)鋰離子電池能量密度瓶頸,，實(shí)現(xiàn)向500Wh/kg甚至600Wh/kg的比能量躍升。提升鋰離子電池比能量的重要策略是研發(fā)新型高容量?jī)?chǔ)鋰電極材料,。富鋰錳基正極材料因利用氧活性導(dǎo)致更多的鋰離子可逆脫嵌,，其放電比容量高達(dá)300mAh/g以上，是全球公認(rèn)的下一代高容量正極材料,。

　　近十年來(lái),，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室在劉兆平研究員的帶領(lǐng)下長(zhǎng)期致力于富鋰錳基正極材料的研究開(kāi)發(fā)，圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環(huán)過(guò)程中電壓衰減和氧析出等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了深入的基礎(chǔ)研究,，取得系列進(jìn)展,。

　　近期，劉兆平研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)富鋰錳基正極材料中氧活性與熱穩(wěn)定性關(guān)系以及微米級(jí)晶粒的鋰離子傳輸動(dòng)力學(xué)過(guò)程開(kāi)展了深入研究,，并取得了系列進(jìn)展,。首先，利用差式掃描量熱儀（DSC）,、原位熱重-原位質(zhì)譜聯(lián)用（TG-MS）,、原位加熱同步輻射X射線衍射（In situ TD-SXRD）等多種表征手段，分別分析了Mn元素不同含量對(duì)熱處理過(guò)程中放熱峰溫度,、氧氣釋放難易程度,、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變情況等，揭示了富鋰錳基正極材料中Mn元素含量越高,，其熱失控溫度越低,。為了更深入地分析Mn元素含量對(duì)材料熱穩(wěn)定性的影響機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)利用擴(kuò)展X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（EXAFS）對(duì)Mn過(guò)渡金屬元素的原子配位環(huán)境進(jìn)行深入解析,，發(fā)現(xiàn)更短的Mn-O鍵長(zhǎng)會(huì)促進(jìn)晶格氧貢獻(xiàn)更多的電子,，從而降低晶格氧穩(wěn)定性并導(dǎo)致氧氣釋放和差的熱穩(wěn)定性。為了同時(shí)獲得高熱穩(wěn)定性和高比容量的富鋰錳基正極材料,，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種多晶型結(jié)構(gòu)的富鋰錳基正極材料,，電化學(xué)測(cè)試與DSC結(jié)果表明多晶型富鋰錳基正極材料可實(shí)現(xiàn)更高的放電比容量，并實(shí)現(xiàn)更好的熱穩(wěn)定性,。利用高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡（HADDF-STEM）發(fā)現(xiàn)多晶型設(shè)計(jì)能夠有效地降低材料中Li2MnO3相尺寸,，明顯地提升Mn-O相互作用。該研究結(jié)果詳細(xì)闡明了富鋰錳基正極材料的氧活性與熱穩(wěn)定性之間的關(guān)系,，并對(duì)下一代高安全,、高能量密度鋰離子電池的實(shí)現(xiàn)提供了重要借鑒意義。近日,，該研究成果以“Rational design of thermally stable polymorphic layered cathode materials for next generation lithium rechargeable batteries”為題發(fā)表在國(guó)際著名的材料科學(xué)期刊Materials Today,。

　　另外，多年來(lái)的研究一直表明富鋰錳基正極材料由于鋰離子擴(kuò)散系數(shù)較低,，當(dāng)其一次晶粒達(dá)到微米級(jí)時(shí),，往往表現(xiàn)出極低的比容量、快速的容量衰減和電壓衰減,。然而,，到目前為止學(xué)術(shù)界依然對(duì)此問(wèn)題缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)圍繞鋰離子在富鋰錳基正極材料晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)該電化學(xué)性能給出了合理的解釋,。利用有限元分析（FEA）的方法,，建立起了關(guān)于鋰離子擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散距離對(duì)容量協(xié)同影響作用的宏觀認(rèn)識(shí)（圖2）,，發(fā)現(xiàn)對(duì)鋰離子擴(kuò)散系數(shù)較低的富鋰錳基正極材料來(lái)說(shuō)，比容量的發(fā)揮高度依賴(lài)于顆粒尺寸大小,。通過(guò)X射線衍射（XRD）和恒電流間歇滴定技術(shù)（GITT）發(fā)現(xiàn)在微米級(jí)晶粒中具有更好的結(jié)晶性和更高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù),。FEA分析方法的模擬結(jié)果證實(shí)了長(zhǎng)擴(kuò)散距離對(duì)于微米級(jí)富鋰錳基正極材料晶粒內(nèi)部鋰離子擴(kuò)散過(guò)程的負(fù)面影響，大尺寸一次晶粒的電化學(xué)過(guò)程伴隨著晶粒內(nèi)部不均勻的鋰離子分布,。由此導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變?cè)陔娀瘜W(xué)過(guò)程中發(fā)生積累,，通過(guò)掃描透射電子顯微鏡-高角度環(huán)形暗場(chǎng)像（STEM-HAADF）直接觀察到微米級(jí)富鋰錳基正極材料晶粒內(nèi)部大量層錯(cuò)的產(chǎn)生以及顯著的層狀相向尖晶石以及鹽巖相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而揭露了微米級(jí)富鋰錳基正極材料中快速的容量衰減和電壓衰減的原因,。該研究工作對(duì)制定相應(yīng)的富鋰錳基正極材料改性策略具有重要的理論指導(dǎo)意義,。近日，該研究成果以“Revealing Li-ion diffusion kinetic limitations in micron-sized Li-rich layered oxides”為題發(fā)表在國(guó)際著名的材料科學(xué)期刊Energy Storage Materials ,。

　　上述研究工作在劉兆平研究員的指導(dǎo)下,，由邱報(bào)副研究員帶領(lǐng)研究生李曉、張宜斌完成,。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52272253）,、浙江省領(lǐng)雁計(jì)劃（2022C01071）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2022299）和寧波市自然科學(xué)基金（202003N4030）等項(xiàng)目的支持,，并得到上海光源BL14B,、BL11B等大科學(xué)裝置的支持。

　　與此同時(shí),，劉兆平研究員帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)基于上述基礎(chǔ)研究成果,，在寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專(zhuān)項(xiàng)（2018B10081）的大力支持下，依托寧波富理電池材料科技有限公司開(kāi)展高容量富鋰錳基正極材料的中試研發(fā),，并持續(xù)向下游動(dòng)力電池企業(yè)提供中試樣品,，旨在加快推進(jìn)高容量富鋰錳基正極材料的商業(yè)化。

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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