【儀表網 研發快訊】高鎳層狀氧化物因其高能量和功率密度，被認為是實現電動汽車長續航和快充功能的關鍵正極材料，目前主流商用正極材料是由尺寸約200 納米的等軸狀初級顆粒燒結形成的微米多晶二次顆粒。這些具有隨機取向的等軸晶初級顆粒中，非均勻鋰離子擴散是造成多晶材料結構退化、產生應力開裂的主要誘因之一。近年來，研究者發現B、Nb等元素摻雜可實現初級顆粒從等軸晶到輻射狀柱狀多晶的生長，可顯著提升正極材料的電化學性能，因此柱狀晶正極材料迅速成為鋰電正極材料領域的研究焦點。然而到目前為止，柱狀晶正極材料性能提升背后的本質原因尚不清楚。
 

　　近日，中國科學院金屬研究所先進炭材料研究部李峰研究員團隊聯合材料結構與缺陷研究部王春陽研究員及季華實驗室譚軍研究員，在層狀氧化物正極材料的構效關系研究方面取得重要進展。研究團隊結合透射菊池衍射技術與多尺度掃描/透射電鏡技術，澄清了柱狀晶正極材料中的晶體學效應，這一發現突破了領域的傳統認識，對發展高性能正極材料具有重要理論和實踐意義。相關成果以《Deciphering the Crystallographic Effect in Radially Architectured Polycrystalline Layered Cathode Materials for Lithium-Ion Batteries》為題，發表于《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)期刊。博士生唐培和關思琦為論文第一作者。
 

　　該研究系統比較了等軸多晶正極材料與柱狀晶正極材料的結構和性能差異，揭示了晶體學特征的調控對層狀氧化物多晶正極材料結構和電化學性能的關鍵作用。結果表明，元素摻雜并未導致具有擇優取向柱狀晶的生成，其本質是誘導生成了大量小角晶界和孿晶界，大角晶界的生成被顯著抑制。這一典型晶體學特征的變化促進了一次顆粒間鋰離子的高效傳輸，顯著緩解了正極材料的開裂和相變退化，進而提升了倍率性能和循環穩定性。本研究通過定量解析晶體學對性能的影響機制，為采用晶體學工程優化多晶正極材料的鋰離子擴散動力學和結構穩定性提供了重要理論基礎和實踐指導。
 

　　該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、遼寧省杰出青年基金等項目的資助。
 

圖1. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的結構和電化學性能
 

圖2. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的晶體學特征
 

圖3. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的晶界類型統計分析
 

圖4. 等軸多晶正極與柱狀晶正極材料的結構退化與應力開裂分析