成均馆大学AEM：高压运行的低镍层状正极材料有望替代高镍正极

过去几年，用于高能锂离子电池（LIBs）的高镍层状正极材料受到了相当大的关注。然而，这些材料本质上具有较低的热稳定性。作为替代，低镍材料的高压工作可能是为设计先进LIBs提供各种选择的有吸引力的方式之一。

韩国成均馆大学Won-Sub Yoon等通过设置相同的初始放电容量来研究LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂(NCM523)和LiNi_0.80Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)的结构、电化学和热性能。

图1 NCM523和NCA在电化学反应过程中的结构变化

研究发现，在高压区的充电过程中，NCM523正极中H2-H3相共存，而在NCA正极中，发生更快速的H2-H3相变，在充电结束时只剩下H3相。因此，与 NCM523相比，NCA正极在高压区的突然各向异性晶格变化导致颗粒粉化和长期循环时微裂纹的严重形成。

扫描透射X射线显微镜(STXM)结果证实NCM523和NCA的颗粒都含有多种氧化态的Ni离子，但NCA正极中的Ni离子在长期循环后由更不均匀的化学氧化态分布组成。特别是，Ni离子的还原活跃地发生在微裂纹和边界附近以及颗粒间空间。

此外，TEM分析表明，当从表面进入体区时，NCA正极中“层状→尖晶石→岩盐”的结构退化过程比在NCM523正极中更严重。

图2 NCM523 (2.7-4.56V)和NCA(2.7-4.2 V)正极的长期循环稳定性

因此，研究结果表明，重复循环引起的突然的各向异性晶格变化有助于微裂纹的传播，并且在裂纹、晶界和颗粒间空间附近会产生类NiO岩盐相。这会导致结构和机械完整性以及电化学性能恶化，尤其是在长期循环期间。

此外，在加热过程中，NCA从层状到岩盐结构的相变比NCM523更快，表明充电至4.56 V的NCM523的热稳定性优于充电至4.2 V的NCA。因此，低镍层状正极材料是低热稳定性富镍层状正极材料的可行替代品，利用前者优异的结构、化学和热稳定性，通过在高电压下运行它们可能是一种合理的扩展策略来设计先进LIBs。

图3 NCM523和NCA的热稳定性

Strategic Approach to Diversify Design Options for Li-Ion Batteries by Utilizing Low-Ni Layered Cathode Materials. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202103052

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成均馆大学AEM：高压运行的低镍层状正极材料有望替代高镍正极

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