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高性能鋰離子電池正極材料是實(shí)現(xiàn)下一代長續(xù)航、長壽命電動汽車的關(guān)鍵。然而，當(dāng)前鋰離子電池的能量密度和循環(huán)壽命呈倒置關(guān)系，其中電極材料與電解液的界面副反應(yīng)則是主要誘因之一。表面包覆是減緩電解液與正極之間副反應(yīng)的最有效途徑之一。然而，傳統(tǒng)包覆工藝通常只關(guān)注包覆層本身的作用，較少考慮其與電解液的相互作用及后續(xù)的原位轉(zhuǎn)化產(chǎn)物對電池性能改善的機(jī)理。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部研究人員與北京大學(xué)、阿貢實(shí)驗(yàn)室合作，在超高鎳單晶鋰電正極材料的表面改性研究方面取得了新進(jìn)展，開發(fā)出了一種將富質(zhì)子預(yù)包覆層原位轉(zhuǎn)化為富含亞納米級無機(jī)物的高效保護(hù)膜的全新策略。富質(zhì)子預(yù)包覆層分解過程中產(chǎn)生的局部高濃度質(zhì)子在原位構(gòu)建保護(hù)膜時起到了關(guān)鍵作用。該研究成果以“In Situ Conversion of Artificial Proton-Rich Shell to Inorganic Maskant Toward Stable Single-Crystal Ni-Rich Cathode”為題，發(fā)表于材料領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Materials》。

研究人員通過較低溫度條件下原位CVD反應(yīng)，在超高鎳單晶LiNi0.92Co0.06Mn0.02O2表面構(gòu)建了一層NH4HCO3殼層。在充電過程中，殼層原位轉(zhuǎn)化為高效保護(hù)膜。首次充電時，NH4HCO3殼層電化學(xué)分解產(chǎn)生的局部高濃度質(zhì)子，快速誘導(dǎo)少量電解質(zhì)LiPF6分解，從而在正極材料表面原位形成富含亞納米級LiF和Li3PO4的保護(hù)膜。該保護(hù)膜有效抑制了活性材料與電解液在長時間循環(huán)過程中的持續(xù)反應(yīng)及正極材料界面結(jié)構(gòu)的退化，從而顯著提高了電池的使用壽命。例如，含該保護(hù)膜的正極與常規(guī)正極的全電池經(jīng)過800次循環(huán)后，容量保持率分別為83%和66%。研究為電極/電解液的界面穩(wěn)定化提供了新思路，也有望為下一代高性能長壽命鋰離子電池的開發(fā)提供重要理論支撐。

金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料結(jié)構(gòu)與缺陷研究部譚興華副研究員為該研究的主要完成人和共同通訊作者，金屬所、北京大學(xué)和阿貢實(shí)驗(yàn)室為共同通訊單位。

圖1. 表面富質(zhì)子包覆層原位轉(zhuǎn)化為富無機(jī)保護(hù)膜的示意圖

圖2. 富質(zhì)子預(yù)包覆層的構(gòu)筑

圖3. 富質(zhì)子包覆層原位轉(zhuǎn)化機(jī)理研究

圖4. 鋰離子電池性能表征與測試