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文 章 信 息
通过涂层-掺杂-微结构调控三合一策略增强高镍LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2正极的结构和界面稳定性
第一作者:邹跃
通讯作者:乔羽*,鲍骏*,孙世刚*
单位:中国科学技术大学国家同步辐射实验室,厦门大学化学化工学院,中国散裂中子源
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研 究 背 景
国家政策的大力支持极大地促进了电动汽车市场的快速发展,大幅提升了电动汽车的市场份额。可电动汽车和传统燃油汽车在行驶里程方面的竞争仍旧十分激烈,这对电动汽车的能量密度提出了新的要求。高镍正极LiNixCoyMnzO2 (NCM, x≥0.9) 材料因能同时获得高能量密度和低成本而被重点关注。然而,它们在获取高能量密度的同时却也面临结构的快速退化和恶化的循环性能,这极大地阻碍了它们的商业化发展。
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文 章 简 介
近日,厦门大学孙世刚院士/乔羽教授团队与中国科学技术大学鲍骏研究员合作,在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Enabling the strengthened structural and interfacial stability of high-nickel LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 cathode by a coating-doping-microstructure regulation three-in-one strategy”的研究论文。该文章从 Sb2Se3 的低熔点特性中汲取灵感,提出并开发了一种三管齐下的策略,旨在同时实现一次粒子和二次粒子表面包覆、掺杂 Sb 以及细长的一次粒子形态,以增强高镍LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2(NCM90) 正极的结构和界面稳定性。熔融和注入 的Sb2Se3 对一次颗粒和二次颗粒表面起到了有益的防御作用,减轻了界面劣化。此外,通过掺杂 Sb5+ 和调控一次颗粒形貌,增强了材料的结构稳定性,从而减轻了颗粒破碎,并最终增强了循环稳定性。因此,Sb2Se3-NCM90 电极显著提高了循环性能,在 100 次循环后,4.3 V 下的容量保持率为 96.6%,在 500 次循环后,1C/5C 下的容量保持率为 80.2%。
图1. Sb2Se3改性NCM90正极的机理示意图。
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本 文 要 点
要点一:Sb2Se3改性NCM90正极的结构及界面表征
Figure 1. a) HRTEM images of Sb2Se3-NCM90 cathode and the corresponding FFT conversions of highlighted region Ⅰ (Layered structure) and Ⅱ (Surface coating). Beyond that, the HAADF image and the corresponding EDS mapping (Ni/Co/Mn/Sb/Se) of Sb2Se3-NCM90 cathode are exhibited on the bottom. b, c) Rietveld refinement of XRD and NPD for Sb2Se3-NCM90. d) The surface and cross-section morphology of Sb2Se3-NCM90 cathode characterized by SEM and the corresponding EDS mapping (Ni/Co/Mn/Sb/Se/O) of the selected region. XPS pattern of e) Ni 2p, f) Sb 3d and g) Se 3d for Sb2Se3NCM90 cathode. h) TOF-SIMS measurements: depth etching of negative ion fragments (Ni-, Sb-, Se-) for Sb2Se3-NCM90 cathode.
要点二:Sb2Se3改性提升NCM90正极的电化学性能
Figure 2. Charge/discharge curves of a) NCM90 and b) 0.3% Sb2Se3Sb2Se3cathodes at 1C between 3.0 and 4.3 V after 3 cycles of film-formation process at 0.1C. The corresponding dQ/dV profiles are shown on the right, in which three peaks are assigned to H1-M, M-H2 and H2-H3, respectively. c, d) Cycling performance of the NCM90 and 0.3% Sb2Se3 electrodes operated at 30 oC in the voltage range of 3.0~4.3 V and the corresponding average voltage during cycling. e) Cycling performance at high discharge rate (1000 mA g-1). f) Rate performance at 30 oC. g) Fitting results (Re, Rsf, Rct) based on Nyquist plots for NCM90 and 0.3% Sb2Se3during cycling. h) Leakage current tests fixed at 4.3 V for NCM90 and 0.3% Sb2Se3 electrodes.
要点三:Sb2Se3改性对NCM90正极首圈结构变化的影响:提升了材料的结构稳定性
Figure 3. a) In situ XRD patterns of NCM90 (green color) and 0.3% Sb2Se3 (blue color) electrodes. Present on the right are the magnified dQ/dV profiles at H2-H3 peak and the evolution of unit cells parameters c and V during cycling. In situ Ni K-edge XANES spectra and the corresponding k2 weighted EXAFS spectra of b) NCM90 and c) 0.3% Sb2Se3 electrodes during first charging process. The soft XAS spectra of d) O K-edge and e) Ni L-edge spectra at full charged state (4.3 V) for NCM90 and Sb2Se3-modified electrodes. f) the XANES spectra of Ni K-edge for two electrodes charged to 4.3 V and the corresponding 1st derivative. g) Ni K-edge Fourier-transformed EXFAS spectra and the fitted data of NCM90 andSb2Se3modified electrodes.
要点四:Sb2Se3改性对NCM90正极循环后颗粒形貌以及界面结构演变的影响:抑制循环过程中的颗粒破碎以及缓解了界面处层状结构向盐岩相的转变
Figure 4. a) SEM images and b) TEM images for a) NCM90 and b) Sb2Se3electrodes after 100 cycles. c) The soft XAS spectra of O K-edge for NCM90 and Sb2Se3modified electrodes after 100 cycles. The soft XAS spectra of Ni L-edge with different etching depths (0, 10, 20, 30 nm) for d) NCM90 and e)Sb2Se3-modified electrodes after 100 cycles. f) XANES spectra comparison of Ni K-edge for pristine and cycled electrodes and NiO as a standard represents Ni2+
要点五:Sb2Se3改性对NCM90 正极界面演变的影响:抑制高镍正极表面常见的EC脱氢反应,减少了表面副产物的累积
Figure 5. DRIFT spectra of a) C=O stretching and b) P-F stretching acquired from fresh electrolyte (black color), the full-charged NCM90 (green color) and 0.3% Sb2Se3 (blue color) electrodes with electrolyte attached. The difference spectra are shown on the top, called as D-NCM90 (light green color) and D-Sb2Se3 (light blue color). DFT simulated spectra of solvents EC/DEC and their different states (dehydrogenation, coordinated with Li+, Li+ coordinated with dehydrogenation solvents) are exhibited on the right. XPS spectra of c) C 1s, d) O 1s, e) Ni 2p for NCM90 and 0.3% Sb2Se3 electrodes after 100 cycles. TOF-SIMS measurements for f) NCM90 and g) 0.3% Sb2Se3 electrodes after 100 cycles. h) The selected fragments (C2HO-, C2H3O-, PO3-, NiF3-, LiF2-) distribution on NCM90 and 0.3% Sb2Se3electrodes after 100 cycles.
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致 谢
感谢合肥国家同步辐射实验室XMCD线站和中国散裂中子源提供的中子粉末衍射测试支持;感谢安徽创谱仪器科技有限公司台式XAFS谱仪(Table XAFS-500)提供了原位电化学X射线吸收谱测试支持。
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文 章 链 接
“Enabling the strengthened structural and interfacial stability of high-nickel LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2 cathode by a coating-doping-microstructure regulation three-in-one strategy”
https://doi.org/10.1002/adfm.202406068
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通 讯 作 者 简 介
孙世刚,中国科学院院士,教授、博士生导师。获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖、中法化学讲座奖、中国电化学贡献奖、中国光谱成就奖、国际车用锂电池协会终身成就奖、国际电化学学会Brian Conway物理电化学奖章等科技奖项;获国家级教学成果奖、首届全国教材建设先进个人奖、第四届杰出教学奖、国家级教学名师、全国模范教师、全国优秀科技工作者和全国先进工作者等荣誉。担任J Electroanal Chem、Func Mater Lett、ACS Energy Lett、Electrochem Energy Rev、National Sci Rev、J Solid State Electrochem、JMCA、《应用化学》、《物理化学学报》、《结构化学》等学术期刊编委或顾问编委,国际电化学会会刊Electrochimica Acta、《光谱学与光谱分析》、《化学学报》和《化学教育》副主编、中国化学会电化学专业委员会会刊《电化学》主编。曾主持国家基金委重大科研仪器设备研制专项、“界面电化学”创新研究群体(3+3+3延续资助)、中科院学部“高端电子制造电子电镀”科学与技术前沿论坛,以及中科院学部咨询评议项目“我国电子电镀基础与工业的现状和发展”等项目。现任厦门大学自然科学学部主任、中国化学会第二届监事会监事长、中国化工学会电子化学品专业委员会副主任、高端电子化学品国家工程研究中心(重组)科技领军专家。
鲍骏,中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究员、博士生导师。中国化学会高级会员,中国科学院十五五重大科技基础设施战略规划咨询专家组成员,中国材料与试验团体标准委员会高通量制备分技术委员会主任委员。主要从事同步辐射实验技术和能源催化等领域研究。发展了一系列基于同步辐射和自由电子激光的原位实验方法及材料基因组学技术,如同步辐射红外显微谱学催化剂高通量筛选系统、红外自由电子激光时空域分辨原位谱学表征方法等,并对用户开放。迄今,已在Nature. Comm., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Catal.等期刊发表论文150多篇,受邀请参与撰写英文专著2部,获授权发明专利12项。主持承担基金委、科技部、中科院、教育部等多项课题研究,部分成果实现技术转让。
乔羽,教授、博士生导师,厦门大学化学化工学院 / 固体表面物理化学国家重点实验室,中国福建能源材料科学与技术创新实验室(嘉庚创新实验室)。研究内容:二次电池相关新型储能体系(富锂、高镍等高电压正极材料中阴离子氧化还原机理,电极电解液表界面电化学过程及相关溶剂化构型改性研究,二次电池产气精细分析等);电化学原位谱学表征(电化学原位气相质谱色谱联用、Raman、红外等)。学术成果:以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy (2篇), Nature Catalysis, Nature Sustainability, Joule (7篇), J. Am. Chem. Soc. (3篇), Angew. Chem. (7篇), Adv. Mater. (10篇),等科研期刊发表学术论文50余篇。获奖情况:国家海外高层次青年引进人才计划、福建省杰青、闽江特聘教授等。
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课 题 组 招 聘
另,招聘博士后(锂钠离子电池正极结构方向优先),待遇:基础薪金30-35W/年(税前),其他另算。在站博士后除独立科研外,指导相关方向学生进行科研,以共同通讯作者身份署名。联系方式:yuqiao@xmu.edu.cn。另,招聘博士后(锂钠离子电池正极结构方向优先),待遇:基础薪金30-35W/年(税前),其他另算。在站博士后除独立科研外,指导相关方向学生进行科研,以共同通讯作者身份署名。联系方式:yuqiao@xmu.edu.cn。
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