张开黎教授、刘奇教授, JMCA研究性文章：一种原位形成的无机导电网络提高单晶高镍正极循环和倍率性能- 大数跨境

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张开黎教授、刘奇教授, JMCA研究性文章：一种原位形成的无机导电网络提高单晶高镍正极循环和倍率性能

科学材料站

2023-08-10

导读：张开黎教授、刘奇教授， Journal of Materials Chemistry A研究性文章：一种原位形成的无机导电网络提高单晶高镍正极循环和倍率性能

文章信息

一种原位形成的无机导电网络提高单晶高镍正极循环和倍率性能

第一作者：陈曦，汤裕

通讯作者：张开黎*，刘奇*

单位：香港城市大学

研究背景

全球减排CO₂推动绿色电动车需求增加，使高能量密度锂离子电池（LIBs）需求上升。层状高镍LiNi_xCo_yMn_zO₂（NCM, x≥0.6, x+y+z=1）正极材料由于其极高的能量密度作为LIBs正极材料备受关注。然而，当Ni含量超过80%时，NCM存在结构不稳定性。在深度充电时，其在c轴方向产生的巨大晶格收缩会导致微裂纹的产生，从而导致一系列结构以及表面的退化，从而影响材料循环稳定性。为解决这一问题，目前工业上主要采用的方法是掺杂，包覆以及单晶化等方法。考虑到NCM颗粒单晶化可以提高材料循环稳定性，提高压实密度并且减少产气等优势。但单晶NCM正极材料存在动力学限制，通过构建表面涂层的方法可以提高锂离子动力学，而表常规面涂层的构建不易实现100%包覆。

文章简介

鉴于此，近日，来自香港城市大学机械工程系的张开黎教授与物理系的刘奇教授合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“ An in situ formed inorganic conductive network enables high stability and rate capability of single-crystalline nickel-rich cathodes”的研究文章。作者采用一种简单可靠的原位涂层策略，成功将快离子导体Li₃PO₄均匀包覆在LiNi_0.83Co_0.12Mn_0.05O₂（P-SC-N83）单晶颗粒上。XRD结果探测到Li₃PO₄物相的形成，并且部分P元素通过晶界进入到材料晶格，PDF结果进一步证明P元素进入晶格结构内部并引起TM-O键的增强。SEM-EDS mapping结果证明P主要进入单晶颗粒表面，HR-TEM观察到单晶颗粒表面均匀的Li₃PO₄涂层已经P进入晶格表面引起的晶格畸变。这种原位涂层策略显著改善了单晶材料的动力学，该方法成功地提高了材料的循环稳定性和倍率性能，抑制了微裂纹的形成，展现出优异的电池性能。这对于实现更稳定、高性能的锂离子电池在推动电动交通和清洁能源发展方面具有重要意义。

Figure 1. Schematic illustration of the synthesis of P-SC-N83.

Figure 2. Crystal structures of the SC-N83 and P-SC-N83 samples. Comparison of XRD patterns of (A) SC-N83 and P-SC-N83 samples. The insert I shows the left shift of (003) peak and the insert II shows the formation of Li₃PO₄. Rietveld refinement patterns of (B) SC-N83 and (C) P-SC-N83 powders. The insets show the well-split (006) and (102) Bragg peaks. (D) Low-r PDF pattern corresponding to the first two-shell atom pairs.

Figure 3. Overall morphology and elemental mapping of the SC-N83 and P-SC-N83 samples. SEM image of (A) precursor, (B) after first sintering, (C) SC-N83 and (D) P-SC-N83 after second sintering. (E-J) Cross-sectional image and elemental mapping. P element mainly enrich on the surface of the particle. (K) HR-TEM image of P-SC-N83 sample. The insert shows the (003) plane and the marked shows the uniform coating of Li₃PO₄.

Figure 4. Electrochemical performance of SC-N83 and P-SC-N83 samples. (A) Initial charge/discharge profile of SC-N83 and P-SC-N83 at 0.1 C. (B) Cycling performance of SC-N83 and P-SC-N83 at 0.1 C. Charge/discharge profiles of (C) SC-N83 and (D) P-SC-N83 at different current densities. (E) Rate capabilities of SC-N83 and P-SC-N83.

Figure 5. In situ XRD of SC-N83 and P-SC-N83. Contour plots of in situ XRD patterns of (A) SC-N83 and (B) P-SC-N83 cathodes at the current of 1/3 C. Stack profiles of enlarged (003) peak for (C) SC-N83 and (D) P-SC-N83.

Figure 6. Overall morphology and structural evolution of the SC-N83 and P-SC-N83 samples after 100 cycles. cross-sectional SEM image of (A) SC-N83 and (B) P-SC-N83. The insert red arrow shows internal crack of SC-N83 after cycling. HR-TEM images of (C) SC-N83 and (D) P-SC-N83 after cycling, and their corresponding enlarged images (E) and (F).

文章链接

An in situ formed inorganic conductive network enables high stability and rate capability of single-crystalline nickel-rich cathodes

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2023/ta/d3ta02538a

通讯作者简介

张开黎教授简介：课题组长期致力于储能材料以及含能材料领域的研究，主要为锂离子电池材料，锌离子电池材料，超级电容器，以及CuO纳米阵列应用于含能材料等。张开黎教授2006年于新加坡国立大学博士毕业，之后到法国以及瑞士苏黎世联邦理工学院等进行博士后工作；2009年来到香港城市大学机械学院任职助理研究员，2015年升任副教授，2020年升任香港城市大学机械工程系教授，博士生导师。以通讯作者的身份在材料科学国际知名期刊Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials ，ACS applied materials/interface，ACS Energy Letters, Journal of Materials Chemistry A，Chemical Engineering Journal, Journal of Power Sources，Electrochimica Acta，Nano Energy等发表多篇论文。

刘奇教授简介：课题组长期致力于锂电池领域研究，具有扎实的理论背景与丰富的技术储备。课题组负责人刘奇教授于2014年博士毕业于美国普渡大学，于美国能源部阿贡国家实验室开展博士后研究（合作导师：任洋教授），现为香港城市大学物理系副教授，香港城市大学深圳研究院研究员，博士生导师，同时也担任美国阿贡国家实验室先进光源部工程与材料评审委员会委员、全国固态离子协会理事，Rare metal客座编辑。申请人致力于锂离子电池关键正负极材料的开发与应用，已在物理、化学、材料和工程领域做出众多原创性工作。最近5年，申请人以第一、共同第一或通讯作者身份在Nature Energy（3篇），Nature Sustainability（1篇）, Nature Communications（1篇）, Cell子刊CHEM（2篇）, Nano Letters（1篇）, Advanced Materials （1篇）, Advanced Energy Materials （1篇）, Advanced Functional Materials （2篇）, Nano Energy（1篇）, Advanced Science（1篇），Small Methods（2篇），Journal of Materials Chemistry A （2篇）等期刊发表论文30余篇, 与他人合作在Nature等期刊上发表文章35篇。迄今为止，SCI论文总引次数达8000余次(google scholar)，H因子47。申请人的多项研究成果不仅得到了相关领域学术届的认可和关注，也引起了工业界的广泛兴趣。