材料科学与光电技术学院 中国科学院大学材料科学与光电技术学院

材料学院肖小玲课题组：壳核结构优化高镍三元材料的电化学性能

作者：吴康

锂离子电池作为可以实现电能与化学能之间相互转化的储能装置，由于其高能量密度，高功率，无记忆效应等优势被认为极具发展潜力的储能电池技术。目前，锂离子电池能量密度及成本主要受限于正极材料，所以发展高能量密度、低成本的锂离子电池正极材料，才能满足动力电池的需求。

图 1 锂离子电池驱动的电动汽车

在三元材料LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂中，随着其中镍含量的增加，其充放电比容量提高(如图2所示)，当其中的镍含量大于等于0.5时，被称之为高镍三元材料。高镍三元正极材料如LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂和LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂，具有非常高的能量密度和较低的成本，受到越来越多的电池企业青睐，但其较差的稳定性，严重阻碍了其大规模应用。为了提高高镍三元材料的电化学性能，材料与光电技术学院肖小玲教授课题组，提出了两种新颖的壳核结构设计策略。通过构建体心高镍、表面高锰/高铝的壳核结构，体心的高镍提供高的能量密度，而表面高锰/高铝展现优秀的循环稳定性。并且原位设计的壳核结构，在壳和核之间具有优秀的界面，不会形成纳米级的空隙，因此该壳核结构展示出优秀的电化学性能：能量密度高、循环寿命长以及热稳定性好。原位壳核结构的设计为高性能、长循环寿命的锂离子电池高镍三元材料提供了新的思路。

图 2 三元材料LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂随着镍含量的增加，放电比容量增加，

但循环稳定性和热稳定明显降低

    图 3 壳核结构提高高镍三元材料的稳定性、降低离子混排

相关一系列研究成果已发表在ACS Appl. Mater. Interfaces (Synthesis Method for Long Cycle Life Lithium-Ion Cathode Material: Nickel-Rich Core−Shell LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂,  2018, 10, 17850–17860.)，Nano research (A novel synthesis strategy to improve cycle stability of LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂ at high cut-off voltages through core–shell structuring. 2019, 12, 2460-2467) 和Nanoscale (In situ synthesis of a nickel concentration gradient structure of Ni-rich LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ with promising superior electrochemical properties at high cut-off voltage. 2020, 12, 11182–11191)。论文第一作者是肖小玲教授课题组吴康同学和李琪同学。

这些工作得到了中国科学院青促会(2016152)和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。