林锋/刘宜晋Nano Lett.: 揭秘NMC正极成分异质性对全局结构和电化学特性的影响

Li 层状正极的等结构性质允许容纳多种过渡金属 (TM)。然而，对于局部TM 化学计量如何影响电池颗粒的充电行为从而影响电池性能，目前仍知之甚少。

在此，美国弗吉尼亚理工大学林锋教授及SLAC国家加速器实验室刘宜晋研究员等人使用成分异质的NMC622材料作为研究对象来研究成分异质性如何影响全局结构和电化学特性，结果表明，单个颗粒的成分异质性似乎不会影响电池性能。

基于透射X射线显微镜（TXM）的空间分辨表征揭示了单个电池颗粒内局部域中化学成分和电荷补偿机制之间的相互作用，单个NMC颗粒中的局部Mn和Ni 浓度分别与电化学诱导的Ni氧化呈正相关和负相关，而Co浓度对Ni氧化没有明显影响。

图1. 异质NMC在电化学充放电时的全局电荷补偿机制

此外，半电池和全电池结果表明，异质NMC的电池性能与那些均质NMC相当，即单相层状氧化物的电池性能似乎与不同元素在单个颗粒中的是否均匀分布没有直接关系。然而，应该注意的是，LiTMO₂（O3型）的等结构性质是在不损害整体平均纯层状结构的情况下获得成分异质材料的先决条件。

在其他碱金属离子层状正极材料中，例如钠层状正极材料，局部成分的不均匀性可能会导致二次相，这归因于钠层状氧化物具有更多可能的晶体结构。局部组成异质性可能源于前体合成步骤，也可能源于不同元素的扩散导致的热煅烧步骤。因此，可以控制这些步骤之一来设计成分异质性，从而实现单粒子水平的电荷分布调控。

图2. 含异质NMC正极材料的锂金属电池的电化学性能

Resolving Charge Distribution for Compositionally Heterogeneous Battery Cathode Materials, Nano Letters 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04464

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