【能源】北大潘锋：提升表面电子导电性助力高倍率正极材料- 大数跨境

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【能源】北大潘锋：提升表面电子导电性助力高倍率正极材料

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2023-01-12

导读：北京大学潘锋教授团队近期研究成果为调节表面电子传输特性开发高倍率正极材料提供了新的视角。

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

正极材料作为锂离子扩散和电子传输的主要部分，其离子扩散特性一直是研究的热点，但关于电子传输特性的研究较少。其电子导电性会带来怎样的影响？电子导电性和离子导电性又有何具体的关系？

经过对比同种类的正极在设置相同截止电压时比容量，不难发现明显的容量差异，这很可能受限于电子传输方面的影响。通常情况下，锂离子在单个颗粒内的脱出/嵌入是由外加有效电势驱动的，其中有效电势是由施加在每个颗粒上的电势和表面电阻引起的电势降决定。如果表面电阻增加，有效电势会降低，可用的锂离子会减少。简言之，倍率性能受表面电导率的很大影响。因此，也许可以通过增加表面电导率来提高正极的倍率性能。

图1. 通过调节表面电导率提高正极材料倍率性能的策略示意图。

北京大学潘锋教授团队近期研究成果为调节表面电子传输特性开发高倍率正极材料提供了新的视角。通过在正极表面构建了具有独特无序岩盐表面结构，通过多尺度电导率测试验证该种处理方法显著提高了正极表面电导率，其产生丰富的空位和快速的电子传输，从而提高有效施加在内部层状晶格上的有效电压。首次通过有效电压的概念将正极中Li⁺脱嵌/嵌入的特性与表面电子传输特性相关联。全面分析电子电导率的提升对电化学过程、结构相变、化学价态、表面反应等方面的影响。从实验和模拟两方面论证了电子电导率的提升对离子电导率的影响。这些发现加深了对正极材料中电子/Li⁺传输特性的理解，并为开发快速充电/放电正极开辟了新方向。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie 上，文章的第一作者是北京大学博士研究生徐沈阳。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Promoting Surface Electric Conductivity for High-Rate LiCoO₂

Shenyang Xu, Xinghua Tan, Wangyang Ding, Wenju Ren, Qi Zhao, Weiyuan Huang, Jiajie Liu, Rui Qi, Yongxin Zhang, Jiachao Yang, Changjian Zuo, Haocheng Ji, Hengyu Ren, Bo Cao, Haoyu Xue, zhihai gao, Haocong Yi, Wenguang Zhao, Yinguo Xiao, Qinghe Zhao, Mingjian Zhang*, Feng Pan*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202218595

潘锋教授简介

潘锋，北京大学讲席教授，博士生导师，北京大学深圳研究生院副院长和新材料学院创院院长，北京大学材料科学与工程学院副院长。潘锋教授长期致力于结构化学和材料基因的探索、电池和催化材料的结构与性能及应用研究，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotech、Science Advance、Joule、Chem、JACS、Angewandt Chemie、Advanced Materials等国际知名期刊发表SCI论文380余篇。潘锋教授于2020年任《结构化学》杂志执行主编，曾获2021年“中国电化学贡献奖”、2018年美国电化学学会“电池科技奖”、2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖等。2015-2021连续七年入选爱思唯尔中国高被引学者。科睿唯安2022全球高被引科学家。

潘锋

https://www.x-mol.com/university/faculty/22371

个人主页

http://www.pkusam.cn/

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：课题组一直致力于如何提升电池体系导电性方面的研究，包括导电粘结剂、导电正极界面、负极导电网络等。我们发现正极导电性在电池中的重要作用，也发现了这种特殊的处理方法对导电性的巨大提升。因此，我们决定尝试去理解导电性这一重要性质在正极材料中发挥的作用。该课题的目标是能够帮助我们理解正极界面导电性发挥的重要作用，推动我们思考其和离子电导性之间的关联，为调节表面电子传输特性开发高倍率正极材料提供了新的视角。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：电子导电性的检测是极具挑战的，需要从不同尺度进行检测并理解数据的意义。特别是截面导电性的测量是在文章初稿完成后，主要作者在一起讨论决定通过特殊的处理对截面进行表征，虽然经历两周才成功设计实验，但幸运的是我们获得了想要的结果。另一个难点是如何对电子电导率和离子电导率进行关联，我们通过大量的界面表征和多物理场模拟，最终从实验上和模拟上获得了一致的结果。

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