富镍三元正极材料,因可逆容量高、成本低等优点,被认为是最理想的下一代高能量密度锂离子动力电池正极材料之一。不过,界面稳定性差、二次颗粒内部结构衰退等问题,严重阻碍了该类正极材料的规模化应用。

近日,长沙理工大学副教授李灵均,与厦门大学张桥保、美国阿贡国家实验室陆俊、内布拉斯加大学林肯分校、布鲁克海文国家实验室等海内外教授及团队合作完成了一项工作,通过第一性原理计算为指导,同步合成了钛掺杂、镧镍锂氧化物包覆的“双重修饰”富镍三元正极材料。这种简单高效的合成方法,将有望大大降低高性能富镍三元材料的生产门槛。成果日前发表在国际期刊《先进功能材料》上。

团队从分析钛和镧在富镍三元材料表面的迁移势垒出发,发现钛掺入体相而镧逃离至表面的状态,为体系能量最低的状态即稳定状态。根据理论计算结果,他们合理设计并同步合成了“双重修饰”的富镍三元材料。材料展现出了良好的热稳定性、结构稳定性及优异的电化学性能。在60摄氏度高温循环150次后,双重修饰材料的容量保持率,比纯相富镍材料提高了近两倍。在采用全场透射X射线显微成像对循环前/后的正极材料进行可视化研究后,团队证明“双重修饰”可抑制正极材料二次颗粒内微裂纹的产生与循环过程中微裂纹扩展,循环后富镍材料二次颗粒间Ni3+的不均匀分布得到了有效抑制,从而显著提升了材料二次颗粒的结构稳定性。

这一发现为富镍三元材料的开发和应用提供了新思路和理论指导,有助于高能量密度锂离子动力电池的发展。