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鋰電再次取得突破,登上Science封面!

高鎳正極材料將在先進鋰離子電池中發(fā)揮關鍵作用,但它存在著水分敏感性、副反應和氣體生成等問題。形成球形二次多晶NMC顆粒降低了表面/體積比,但通常在循環(huán)后觀察到沿脆弱的內部晶界的粉碎。這些裂紋是由循環(huán)過程中初級粒子體積的不均勻變化引起的,多晶復合材料中單個顆粒和晶粒之間的各向異性加劇了這一現(xiàn)象。晶間裂紋使新的表面暴露在電解液中發(fā)生副反應,加速了電池衰減。
通過減少相邊界和材料表面積,單晶富鎳正極有很大的潛力來解決其多晶正極所面臨的挑戰(zhàn)。然而,盡管在單晶富鎳正極中存在著過電位、微觀結構和電化學行為之間的基本聯(lián)系,但合成高性能的單晶富鎳正極仍具有很大的挑戰(zhàn)性。
由于富鎳陰極在高溫下的結構不穩(wěn)定性,高鎳含量的陰極需要較低的合成溫度,而不是需要高溫和耗時的煅燒過程來生長單晶。
鋰電再次取得突破,登上Science封面!
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西北太平洋國家實驗室Jie Xiao在Science發(fā)表Reversible planar gliding and microcracking ina single-crystalline Ni-rich cathode,研究了單晶富鎳陰極的可逆平面滑動和微裂紋,此項研究登上了Science封面。

鋰電再次取得突破,登上Science封面!

本研究以高性能單晶LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2 (NMC76)為模型材料,研究電位如何觸發(fā)單晶從原子到微米的結構變化及其對陰極電化學性能的影響。采用原位原子力顯微鏡(AFM)和理論模型來理解單晶的電化學力學耦合行為。
作者觀察到單晶富鎳陰極沿(003)平面的可逆平面滑動和微裂紋。微觀結構缺陷的可逆形成與晶格中Li離子濃度梯度引起的局部應力有關,為利用合成修飾來減輕粒子斷裂提供了線索。
本研究結果提供了一些穩(wěn)定單晶富鎳NMC的策略,可以通過減小晶體尺寸到3.5微米以下,通過改變結構對稱性吸收積累的應變能,或者簡單地優(yōu)化電荷深度而不犧牲太多的可逆容量。

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圖1.單晶LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2的表征

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圖2. 不同截止電壓,循環(huán)穩(wěn)定性測試后(200圈)的單晶LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2電化學性能及SEM圖像

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圖3. 單晶NMC76的形貌和結構研究

鋰電再次取得突破,登上Science封面!

圖4. 利用原位AFM和力學分析研究單晶NMC76的表面結構和形貌
鏈接:
Reversible planar gliding and microcracking in a single-crystalline Ni-rich cathode. Science 370 (6522), 1313-1317.
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313/tab-pdf

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