富鎳三元正極材料，因可逆容量高、成本低等優(yōu)點，被認為是最理想的下一代高能量密度鋰離子動力電池正極材料之一。不過，界面穩(wěn)定性差、二次顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)衰退等問題，嚴重阻礙了該類正極材料的規(guī)模化應(yīng)用。

近日，長沙理工大學(xué)副教授李靈均，與廈門大學(xué)張橋保、美國阿貢國家實驗室陸俊、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校、布魯克海文國家實驗室等海內(nèi)外教授及團隊合作完成了一項工作，通過第一性原理計算為指導(dǎo)，同步合成了鈦摻雜、鑭鎳鋰氧化物包覆的“雙重修飾”富鎳三元正極材料。這種簡單高效的合成方法，將有望大大降低高性能富鎳三元材料的生產(chǎn)門檻。成果日前發(fā)表在國際期刊《先進功能材料》上。

團隊從分析鈦和鑭在富鎳三元材料表面的遷移勢壘出發(fā)，發(fā)現(xiàn)鈦摻入體相而鑭逃離至表面的狀態(tài)，為體系能量最低的狀態(tài)即穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)理論計算結(jié)果，他們合理設(shè)計并同步合成了“雙重修飾”的富鎳三元材料。材料展現(xiàn)出了良好的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及優(yōu)異的電化學(xué)性能。在60攝氏度高溫循環(huán)150次后，雙重修飾材料的容量保持率，比純相富鎳材料提高了近兩倍。在采用全場透射X射線顯微成像對循環(huán)前/后的正極材料進行可視化研究后，團隊證明“雙重修飾”可抑制正極材料二次顆粒內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生與循環(huán)過程中微裂紋擴展，循環(huán)后富鎳材料二次顆粒間Ni3+的不均勻分布得到了有效抑制，從而顯著提升了材料二次顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

這一發(fā)現(xiàn)為富鎳三元材料的開發(fā)和應(yīng)用提供了新思路和理論指導(dǎo)，有助于高能量密度鋰離子動力電池的發(fā)展。

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富鋰錳基電池會是未來鋰電池的發(fā)展主流嗎？

目前，電動汽車面臨續(xù)航里程短和安全性不足等問題。因此，研發(fā)出新一代高能量密度的動力電池，是動力電池未來技術(shù)發(fā)展的必然要求和趨勢。在這種情況下，富鋰錳基材料電池就應(yīng)運而生。然而，富鋰錳基電池會是未來鋰電池的發(fā)展主流嗎？

對于現(xiàn)階段的鋰電池來說，富鋰錳基材料電池存在著諸多優(yōu)點，更何況我們當初設(shè)計電池的第一準則是容量匹配，也就是正負極的容量要匹配。而目前鋰離子電池的正極比容量很低，在電池中的質(zhì)量非常大。而在已知正極材料中，富鋰錳基正極材料放電比容量達250毫安時/克以上，幾乎是目前已商業(yè)化正極材料實際容量的兩倍左右。同時，這種材料以較便宜的錳元素為主，貴重金屬含量少，與常用的鈷酸鋰和鎳鈷錳三元系正極材料相比，不僅成本低，而且安全性好。因此，富鋰錳基正極材料被視為下一代鋰動力電池的理想之選。

雖然它是目前已知最能改變動力電池現(xiàn)狀的電池材料。但是，現(xiàn)階段想要將富鋰錳基電池生產(chǎn)化還存在著諸多問題，雖然富鋰錳基正極材料具有放電比容量的絕對優(yōu)勢，但要將其實際應(yīng)用于鋰動力電池，必須解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是降低首次不可逆容量損失；二是提高倍率性能和循環(huán)壽命；三是抑制循環(huán)過程的電壓衰減。目前解決這種材料問題的手段很多：包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等方法，但是這些方法只能在某些方面提升材料的性能，還沒有萬全之策。所以目前實現(xiàn)富鋰錳基動力電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用并不現(xiàn)實。

富鋰錳基電池在下一代電池技術(shù)當中能量的密度是最高的，并且成熟性相較于其它的電池也有其獨特的優(yōu)勢。有望解決目前純電動汽車續(xù)航里程過短等問題。所以，可以說富鋰錳基電池的前途無可限量，只要解決我們目前富鋰錳基電池所面臨的關(guān)鍵問題，將來或許會成為鋰電池的主流。