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北大潘锋课题组Nature Energy：无钴正级材料机理重大突破

邃瞳科学云

2021-02-22

导读：本文深入分析了钴元素在NMC正极材料的主要作用和提出了全新无钴材料组分

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随着汽车工业逐渐向电动化转移，高性能电池的需求将大大地增加。在过去的三十年，电池技术的革新已经取得了巨大的成功，能量密度大幅提升。当前，电动化时代面临的主要挑战是电池高昂的成本。电池的成本问题主要与急速增加的原料价格有关，其中尤其是作为主要成分的钴。近年来，由于主要产地的政治动荡，人权道德等问题严峻，钴矿的价格节节攀升，已经变成各国最重要的战略资源之一，这也严重地影响了电池的成本。为了缓解成本压力，电池工业及科研单位纷纷投入到发展少钴甚至无钴电池材料行列。尽管近期一些无钴材料，类如富锂材料，高电压锰酸锂，无序岩盐正极材料被视为潜在的替代材料，但是这些材料在电化学性能上还有较多不足，距离大规模商业化还有一定的距离。因此，当前发展少钴以及无钴材料仍主要依赖于镍锰钴（NMC）三元层状氧化物正极材料。富镍型的NMC正极材料具有高的能量密度和容量，因此以它为基础发展无钴材料是当下热门的研究课题。然而，用镍来直接取代钴已经被证实导致严重的电化学性能和安全性的下降，因此寻找有效的替代元素是发展无钴材料的当务之急。

北京大学深研院新材料学院潘锋教授课题组近年来探索锂电池材料基因研究组学和d-电子结构化学（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8364，2016, 138, 13326-13334;2018, 140, 12484，J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5537;Nano energy 2018, 49, 77），从关键过渡金属元素及其构成功能结构基元出发，发现这些结构基元的连接方式和电子自旋相互作用将引起的磁阻搓和超交换作用导致Li/Ni反位机理（Acc. Chem. Res. 2019，10.1021/acs.accounts.9b00033）。

近日，潘锋课题组和美国阿贡国家实验室的Khalil Amine教授、Jun Lu研究员深入合作，为了进一步搞清楚Ni、Mn、Co这三个元素在三元层状氧化物各起什么作用，合作团队从二元过渡金属（NiCo和NiMn的6:4，8:2）开始研究，深入研究电池层状材料过渡金属自旋电子相互作用的构效关系，在发展无钴材料领域取得重大进展，相关成果发表在Nature Energy（2021，doi：10.1038/s41560-021-00776-y，影响因子为46.5）上。

图1.富钴材料和无钴材料在高电压循环过程中结构和形貌演变

该合作团队结合原位同步辐射和球差电镜等技术以及量子化学计算，深入分析了钴元素在NMC正极材料的主要作用和提出了全新无钴材料组分。如图1所示，研究结果表明尽管钴有助于层状有序结构的形成，但它对电池的电化学性能和结构稳定性都有不利的影响，尤其是它在高电压下会引发结构失氧，以及过渡金属的迁移。同时，钴的存在也加重颗粒形貌的稳定性差的问题，加速了颗粒裂纹的产生。通过锰元素替代钴可以较好地缓解结构和形貌稳定性差的问题，并且得到更好的高电压性能。

在这些机理研究的基础上，该合作团队进一步提出新组分LiNiαMnβXγO2（NMX，如图2所示）是极具潜力的无钴正极材料的发展方向，并验证该系列材料优异的性能。这项研究对高性能低成本无钴电池的发展具有重要的指导意义。

图2.全新的无钴层状正极材料LiNiαMnβXγO2

该工作是由潘锋和Khalil Amine、Jun Lu共同指导下，由第一作者北京大学深圳研究生院新材料学院2019届博士毕业生刘同超（因为这些成果获得北京大学优秀博士）及相关人员一起完成，该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省创新团队项目的大力支持。

来源：北京大学新闻网

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