济南大学原长洲教授团队Angew：亚微米单晶NCM622构建实现优异力学与化学性能

第一作者：梁龙伟

通讯作者：原长洲*

单位：济南大学

基于传统能源危机和环境污染等问题，大力发展新能源汽车已成为我国的基本国策。锂离子动力电池是目前新能源汽车较理想的动力电源，能量密度更高、循环寿命更长、充电时间更短以及安全性能更好是其大规模应用于新能源电动汽车的关键所在。

正极材料是锂离子动力电池的重要组成部分，是决定电池性能的关键因素，尤其是正极材料的能量密度、循环寿命、安全性及成本控制。其中，高镍层状结构正极材料凭借高能量密度、高工作电压及低成本的优势而成为最有力的竞争者。然而，无论多晶型还是单晶型高镍正极材料都面临力学与化学稳定性不足，特别是高电压工作条件下晶间/晶内微裂纹严重、循环寿命不足及热稳定性差等挑战。

基于此，济南大学原长洲教授团队在国际知名期刊《Angewandte Chemie》上面发表了题为“Chemomechanically Stable Small Single-crystal Mo-doped LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ Cathodes for Practical 4.5 V-class Pouch-type Li-ion Batteries”的研究论文。

本工作提出了亚微米单晶结构设计和杂原子掺杂协同策略，构建在高电压（≥4.5 V）下稳定运行且机械化学性能可靠的亚微米级小单晶型Mo⁶⁺掺杂LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ (SS-MN6)，并与常规多晶型和常规微米级单晶型LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ 材料进行了对比研究。

图1. 不同结构设计LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂形貌及微观结构表征。

显著减小的单晶颗粒尺寸结合Mo⁶⁺掺杂效应可显著提高体相和表界面结构稳定性，从而可有效抵抗材料在充放电循环过程中的晶格应力应变，大幅度消除局部应力的累积，从而可以有效避免微裂纹形成，实现高电压工作条件下的“零应变”无裂纹特性。

图2. 不同结构设计LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂颗粒内部微裂纹抑制表征

要点二：实现了高效稳定表界面的构筑

循环后电极材料的剖面SEM、STEM及XPS测试表明亚微米单晶结构设计结合Mo⁶⁺掺杂构筑可有效抑制表面有害副反应，减少表面残余物的生成，形成超薄的表面固体电解质膜，有利于表界面锂离子的快速传输。此外，DSC测试结合TR-XRD结果证实该结构体系可显著抑制材料在高脱锂态热分解过程中的晶格失氧，显著提升不可逆相变的转变温度，从而极大改善热稳定性能。

图3. 不同结构设计LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂循环后表界面结构表征

要点三：实现了优异的高电压下的循环稳定性和宽温区工作性能

得益于其结构上优异的力学稳定性，基于SS-MN6正极材料组装成的袋式软包全电池展现出极其优异的高压（4.5 V）循环稳定性和耐环境温度（−20 − 55 °C）能力。其在2.8−4.5 V电压区间：1 C/1 C，25 °C循环3000次容量保持率为80.3%；3 C/3 C，25 °C循环2000次容量保持率为80.5%；1 C/1 C，55 °C循环2300次容量保持率为77.2%。本文的贡献可为构建具有优异机械化学稳定性的先进正极材料提供新思路。

图4. 结构调控实现优异的高电压下的循环稳定性和宽温区工作性能

Chemomechanically Stable Small Single-crystal Mo-doped LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂ Cathodes for Practical 4.5 V-class Pouch-type Li-ion Batteries

原长洲教授简介：济南大学材料科学与工程学院博士生导师，山东省“泰山学者特聘教授”，济南市C类人才（省级领军人才），省优秀青年基金、省杰出青年基金和省技术领军人才获得者。连续多年入选科睿唯安“全球高被引学者”和爱斯维尔“中国高被引学者”榜单。获教育部自然科学奖二等奖和省青年科技奖各一项。主持了国家自然科学基金项目和山东省自然科学基金重大基础研究项目等项目 10 余项。

近年来，以第一/通信作者已在 Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today、Mater. Horiz.、J. Mater. Chem. (A)、Small 和Green Chem. 等国际刊物上发表 SCI 学术论文 100 余篇，其中，50 余篇 IF > 10.0，20 余篇分别被 Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Today 和 Green Chem. 以 Front/Back Cover 或 Frontispiece 的形式亮点刊载报道。

个人 H-index 为 68。授权中国发明专利 18 项。相关创新成果受到了国际著名出版商 WILEY-VCH 在其著名学术媒体 Materials Views China、X-MOL 行业资讯媒体（材料学）、Labtalk News、“能源学人”和“研之成理”等学术媒体进行了前沿进展报道。

梁龙伟副教授简介：2015年于中南大学冶金与环境学院获工学博士学位，现任济南大学材料科学与工程学院副教授/硕士生导师，主要从事锂/钠离子电池关键电极材料的结构设计与功能调控研究，重点致力于高电压、高容量锂/钠离子电池正极材料的开发及关键问题解决。迄今以第一或通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Mater. Horiz.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces和J. Power Sources等国内外学术刊物上发表SCI论文20余篇。

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