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電動汽車（EV）市場的不斷擴大，推動了對使用富鎳正極的高能量密度電池的需求。然而，富鎳正極在極端快充（XFC）條件下的運行會損害其結構的完整性，從而導致容量迅速下降；實現(xiàn)富鎳正極在XFC條件下的可操作性，同時最大限度地提高能量密度和長期循環(huán)性能是一個挑戰(zhàn)。

韓國漢陽大學Chong Seung Yoon、Yang-Kook Sun等研究了快速充電對Li[Ni_0.92Co_0.06Al_0.01Nb_0.01]O₂（Nb-NCA93）正極的影響，其能量密度高達869 Wh kg^-1。

圖1. NCA93正極在半電池中的性能

具體而言，作者首先通過透射電子顯微鏡（TEM）徹底研究了快速充電對富鎳NCA93結構的影響，然后采用試錯法，通過向NCA93正極引入不同的離子，實現(xiàn)了具有有利于XFC的精細微結構的正極。

研究發(fā)現(xiàn)，NCA93正極是一種富含鎳的層狀正極，由于充電后正極中殘余鋰的不均勻分布，即使在第一次充電時，它也會受到不可逆的機械損傷。粒子細化，即通過引入1摩爾%的Nb，將初級粒子尺寸減少到納米級，可有效地解決快速充電帶來的挑戰(zhàn)。

圖2. NCA93、B-NCA93和Nb-NCA93正極的快充性能

研究顯示，在充電結束時，由突然的晶格收縮引起的內部應力被許多初級粒子的邊界所抵消，這些邊界使傳播中的裂縫發(fā)生偏轉，使次級粒子斷裂增韌。

此外，鋰離子的遷移也通過眾多的顆粒間邊界的短路擴散而得到加速。由此產生的全電池可在12分鐘內達到滿電，并在1000次循環(huán)后保持其初始容量的85.3%（以全深度放電循環(huán)）。此外，Nb-NCA93正極由于其獨特的微觀結構，在XFC條件下產生的熱量有限。

圖3. 充電后Nb-NCA93正極的機械穩(wěn)定性和電導率

High-Energy-Density Li-Ion Battery Reaching Full Charge in 12 min. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02032

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