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單顆粒力學(xué)（SPFT）&粉體電導(dǎo)（PRCD）聯(lián)合助力高倍率與高穩(wěn)定性的高鎳正極材料開發(fā)

元能科技 2024-11-20 | 閱讀：1143

01 研究背景

高鎳正極材料因其高容量和低成本效益受到廣泛認可,，是高能量密度鋰離子電池正極材料的熱門選擇,。但高電壓下快充和長循環(huán)會引發(fā)高鎳正極嚴重的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性以及應(yīng)力應(yīng)變積累的問題,，阻礙其進一步的商業(yè)化應(yīng)用。

02 研究工作簡介

近日，來自北京理工大學(xué)吳鋒院士團隊的蘇岳鋒教授,、陳來研究員,、董錦洋博士后，在國際知名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表題為“Enhancing Chemomechanical Stability and High-Rate Performance of Nickel-Rich Cathodes for Lithium-Ion Batteries through Three-in-One Modification”的研究論文,。該研究提出了金屬陽離子誘導(dǎo)的三合一改性策略來提升材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和倍率性能,。W摻雜增強了材料表層與氧的結(jié)合，抑制了深度脫鋰過程中從層狀到巖鹽相轉(zhuǎn)變引發(fā)的氧損失,，從而增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,。在正極表面構(gòu)建具有適宜厚度的陽離子混合層可以提高Li+擴散速率，減輕顆粒結(jié)構(gòu)退化,。此外,，Li2WO4納米包覆層可減少活性材料與電解液的副反應(yīng)。重要的是,，對不同電流倍率下循環(huán)前后的結(jié)構(gòu)變化進行深入的研究,，以更好地理解倍率失效機制。這些發(fā)現(xiàn)為高效利用高鎳正極材料提供了寶貴的機理見解,，加速了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,。

圖1.六價金屬陽離子誘導(dǎo)三合一改性機理及倍率失效機制示意圖

03 核心內(nèi)容表述

（1）三合一機制構(gòu)建納米表面層

電極材料的固有顆粒特性決定了電池的電化學(xué)性能，為了表征粉末材料的物理化學(xué)特征,，因此作者采用元能科技粉末電阻率&壓實密度儀（PRCD3100,，IEST）測量粉末電阻率和電導(dǎo)率。經(jīng)過改性后由于在材料表面形成Li2WO4包覆層而消耗了大量的殘堿,，相比于原始材料,，降低了樣品的粉末電阻率，從而增強了材料的電導(dǎo)率,；為了進一步表征單個粒子的力學(xué)性能,，作者采用元能科技單顆粒力學(xué)性能測試系統(tǒng)（SPFT2000，IEST）的高精度壓力傳感器和位移控制來測量單顆粒子的力學(xué)性能,，從測試可以看出三合一修飾層增強了材料的抗壓強度并減少了材料破碎時的位移變化,，這表明經(jīng)過修飾材料可以承受更大的內(nèi)部應(yīng)力而提升顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而可進一步提升材料或電極的壓實密度,，提升電池容量密度,；經(jīng)過PITT測試，重構(gòu)的陽離子混合層及Li2WO4包覆層顯著的提升了材料的Li+傳輸效率,，從而使得在大電流密度下材料的循環(huán)性能得到提升,。綜上所述，測試單個正極材料顆粒的關(guān)鍵材料性能參數(shù),，有助于我們深入理解材料性能變化的機理,。

圖2.（a）W-0和W-0.5樣品的粉末電阻率（b）電子電導(dǎo)率（c）單粒子力測試（d）W-0（e）W-0.5樣品單粒子力學(xué)測試前后的光學(xué)照片（f）W-0和（g）W-0.5在0.1-0.7 mV s-1下的CV曲線（h）掃描速度和峰值電流之間的關(guān)系（i）W-0的PITT測試（j）W-0.5的PITT測試（k）相應(yīng)的Li+擴散系數(shù)

（2）深入研究倍率失效機制

為研究DIEA工程對材料中晶格氧釋放以及過渡金屬遷移的調(diào)控,，進行了原位XRD、原位拉曼以及原位DEMS測試,。原位XRD測試中,，材料在高截止電壓下晶胞參數(shù)變化緩慢，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定應(yīng)變減緩,。原位拉曼測試用以分析樣品中的過渡金屬遷移情況以及結(jié)構(gòu)退化,，改性樣品中500 cm-1和618 cm-1處的特征峰變化較小，而原始樣品中在650 cm-1處出現(xiàn)新的特征峰,，表明材料由于過渡金屬遷移產(chǎn)生了新的尖晶石相,。原位DEMS測試則表明具有高熵表層的材料在高壓下的氣體釋放明顯抑制，表明其更加穩(wěn)定的晶格氧骨架,。進一步采用DFT計算,，為晶格氧釋放以及過渡金屬遷移提供理論支撐，結(jié)果表明具有高熵表面的材料在高脫鋰態(tài)仍能展現(xiàn)較高的氧空位形成能以及Mn遷移能壘,，這與測試結(jié)果相互印證,，表明材料高壓下仍能表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。

圖3.（a）W-0 在1 C（b）W-0.5在1 C下循環(huán)100周后的SEM橫截面圖像（c）W-0 在2 C（d）W-0.5在2 C下循環(huán)100周后的SEM橫截面圖像 (e）W-0在1 C（f）W-0.5在1 C (g）W-0在2 C（h）W-0.5在2 C下循環(huán)100周后的SEM橫截面圖像（i）W-0在 1 C (j) W-0.5 在 1 C (k) W-0 在2 C (l) W-0.5 在 2 C下的GPA分析

（3）前瞻

本文開發(fā)了一種通用的六價金屬陽離子誘導(dǎo)的三合一改性策略,，通過增強高鎳正極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,，來應(yīng)對高鎳材料在高倍率長循環(huán)間的應(yīng)力累積。更重要的是,，該策略不僅強化了材料表層的抗氧化性能,，還深入揭示了高倍率下材料從表面到核心的漸進性結(jié)構(gòu)變化。通過對不同充放電倍率下的失效機制進行系統(tǒng)研究,，我們發(fā)現(xiàn)在高倍率循環(huán)中,，高鎳正極內(nèi)部的應(yīng)力傳導(dǎo)與相變行為顯著影響其整體性能。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解高倍率條件下的材料退化機理提供了全新視角,，同時也為未來調(diào)控材料性能的設(shè)計策略提供了科學(xué)依據(jù),。

Enhancing Chemomechanical Stability and High-Rate Performance of Nickel-Rich Cathodes for Lithium-Ion Batteries through Three-in-One ModificationDOI：10.1016/j.ensm.2024.103893關(guān)注【元能科技】微信公眾號，后臺回復(fù)關(guān)鍵詞 “文獻” 下載原文,。

04 通訊作者簡介

蘇岳鋒，北京理工大學(xué)材料學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,，北理工重慶創(chuàng)新中心新材料院士中心平臺責(zé)任教授。2013年入選教育部“新世紀優(yōu)秀人才支持計劃”,，資助領(lǐng)域為新材料領(lǐng)域,。主要從事綠色二次電池及先進能源材料的研究，作為項目負責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金面上項目2項,，主持國家重點研發(fā)課題1項,，國際合作項目1項，參研973項目、“新能源汽車”重大專項,、國家自然科學(xué)基金項目等多項,。以通訊作者身份在Advanced Materials，Nano Energy,，Energy Storage Materials,，Nano Letters，Journal of Materials Chemistry A 等刊物發(fā)表SCI論文90余篇,，申請國家發(fā)明專利近60項,，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項。

陳來,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院研究員,、博士生導(dǎo)師，入選第四屆中國科協(xié)青年人才托舉計劃,、北京市科技新星計劃,。目前主要從事鋰離子二次電池及其它電化學(xué)儲能材料與器件的研究，重點研究方向為鋰離子電池用富鋰正極材料,、高鎳正極材料及高比能鋰離子二次電池等,。作為負責(zé)人主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上及青年項目,、宜賓市科技局揭榜掛帥項目等項目10余項,；作為主研人員參與973計劃、國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”試點專項等項目,。自2013年起在Advanced Materials,，Advanced Energy Materials, Materials Today，Nano Energy等國際刊物發(fā)表SCI論文60余篇,；受理國家發(fā)明及實用新型專利65項,，已授權(quán)32項；出版專著3部,。

董錦洋,，北京理工大學(xué)材料學(xué)院博士后，合作導(dǎo)師為吳鋒院士,。主要研究方向為鋰離子電池正極材料改性和儲能電池加速老化失效分析,。獲選國家資助博士后研究人員計劃、中國博士后科學(xué)基金面上項目,、重慶市博士后研究項目特別資助等項目,，作為主研人員參與國家重點研發(fā)計劃課題、宜賓市科技局揭榜掛帥項目等項目,。在Advanced Materials,，Carbon Energy,，Energy Storage Materials等國際刊物發(fā)表SCI論文20余篇；受理國家發(fā)明及實用新型專利20余項,，已授權(quán)8項,。

05 課題組介紹

課題組以吳鋒院士為學(xué)術(shù)帶頭人，團隊隸屬于“環(huán)境科學(xué)與工程”北京市重點實驗室和“動力電池及化學(xué)能源材料”北京高等學(xué)校工程研究中心兩個主要從事綠色能源材料及材料電化學(xué)研究的省部級科研平臺,。團隊多年來一直從事綠色儲能材料的基礎(chǔ)研究以及相關(guān)電化學(xué)應(yīng)用體系的技術(shù)開發(fā),，在綠色二次電池體系的開發(fā)及相關(guān)材料的研究方面先后承擔(dān)了國家“973”計劃、“863”計劃,、國家重點研發(fā)計劃等多項重大項目,，在相關(guān)領(lǐng)域積累了豐富的科研經(jīng)驗。

06 課題組招聘

北京理工大學(xué)鄭州研究院先進儲能材料團隊負責(zé)人為吳鋒院士,，團隊基于新能源材料基因測算與設(shè)計,，結(jié)合智能探測技術(shù)，研究與開發(fā)高能量密度鋰離子電池,、智能電池,、固態(tài)二次電池等多種新體系電池；圍繞新能源智能汽車,、先進儲能以及能源互聯(lián)應(yīng)用場景,，開展智能電池系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與應(yīng)用研究，開展電池加速老化,、健康狀態(tài)評估和電池壽命預(yù)測研究,。本平臺的建設(shè)將為北京理工大學(xué)雙一流學(xué)科（材料科學(xué)與工程學(xué)科）和戰(zhàn)略新興學(xué)科（儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科）建設(shè)提供有力支撐，并培養(yǎng)新能源和儲能領(lǐng)域的"高精尖缺"人才,。

招聘方向：

1.鋰離子電池正極材料研究

2.固態(tài)化及固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)

3.電池用傳感器設(shè)計

4.電池材料及電極多尺度模擬仿真

5.儲能電池加速老化測試方法構(gòu)建及壽命預(yù)測

招聘要求：

1.擁護黨的路線方針政策,，遵紀守法，具有良好的思想政治素質(zhì)和道德修養(yǎng),；

2.身心健康,，具有良好的學(xué)術(shù)背景和一定的科研工作基礎(chǔ)，具有較好的學(xué)術(shù)發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

3.年齡在35周歲以下（豫理博士后不超過30周歲）,，獲得博士學(xué)位一般不超過3年,；

4.符合國家、學(xué)校招收博士后研究人員的其他要求,。

崗位不僅待遇豐厚,，還有多種地方政府人才支持政策。歡迎感興趣的伙伴將個人簡歷（包括個人基本信息,、學(xué)習(xí)工作經(jīng)歷、科研成果,、獲獎情況等）代表性成果及學(xué)術(shù)證明材料發(fā)至郵箱 [email protected],，并抄送郵箱[email protected],，郵件主題以“博士后應(yīng)聘+姓名+研究方向”命名。

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