汉阳大学EES：用于先进锂离子电池的超细晶粒富镍层状正极

高能量密度的富镍（Ni≥90%）层状正极循环过程中发生的快速容量衰减阻碍了其在电动汽车中的应用，电动汽车通常要求电池在500次循环后仍能保持其初始容量的 80%。将结构陶瓷材料的晶粒尺寸减小到超细（< 500 nm）或纳米级（< 100 nm）可以提高陶瓷材料的机械强度和断裂韧性，相同的机制可用于增强脱锂的富镍层状正极断裂韧性。

在此，韩国汉阳大学Yang-Kook Sun, Chong S. Yoon等人证明限制正极的初级粒径解决了容量衰减问题，在电池循环稳定性和正极初级粒径之间观察到线性关系。作者在不借助专门的加工技术的情况下将初级粒径限制在远低于500 nm的水平，即通过将一系列掺杂剂引入Li[Ni_0.96Co_0.04]O₂ (NC96)正极材料以抑制锂化过程中的晶粒生长来实现粒度细化，从而赋予必要的机械韧性，以抵消与电荷端附近相转变相关的高内部应变。

图1. 不同锂化条件下的颗粒形貌和过渡金属元素的分布

在研究的掺杂剂中，Mo实现了最大的细化效果。通过引入Mo抑制了一次颗粒的生长/固结，从而将Li[Ni_0.95Co_0.04Mo_0.01]O₂（NCMo95）的循环寿命提高到商业级水平。NCMo95正极的微观结构旨在减轻富镍层状正极的机械不稳定性，代表了具有长循环寿命和快速充电能力的下一代高能量密度正极。

此外，NCMo95正极与当前的商业正极相比具有材料成本优势，因为Co是一种相对昂贵且日益稀缺的资源，可在不影响电池容量和寿命的情况下用Ni替代。

图2. NCA95和NCMo95正极的电化学性能

图3. 不同掺杂NC96正极的颗粒形态和电化学性能的比较

Ultrafine-grained Ni-rich layered cathode for advanced Li-ion batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE02898G

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汉阳大学EES：用于先进锂离子电池的超细晶粒富镍层状正极

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