在锂离子电池技术日新月异的今天,正极材料的性能优化成为提升电池整体性能的关键。清华大学深圳国际研究生院与北京工业大学的研究团队,通过一项创新的微观结构工程策略,成功在高镍正极材料中引入了钨(W)元素,实现了材料容量与寿命的双重飞跃,为锂离子电池技术的发展开辟了新篇章。
高镍层状氧化物(NRLO)因其高理论容量和高工作电压,在电动汽车和大规模能量存储系统中展现出巨大潜力。然而,传统的NRLOs材料在提高比能量方面面临诸多挑战:一是增加镍含量虽然能提升容量,但是镍含量过高易导致晶格不稳定性,进而降低电池的安全性;二是提高截止电压虽能提取更多锂离子,却会触发多相变,损害材料结构。在此背景下,研究团队另辟蹊径,通过引入钨元素,实现了对NRLOs微观结构的精细调控。
钨是一种过渡金属元素,在元素周期表中第六周期的VIB族。钨在自然界主要呈六价阳离子,其离子半径为0.68×10-10m。由于W6+离子半径小,电价高,极化能力强,易形成络阴离子,因此钨主要以络阴离子的形式[WO4]2-存在。
研究表明,钨元素的引入显著改变了NRLOs的微观结构。首先,钨的掺杂促进了具有一致自旋结构的尖晶石孪晶界的形成,这一结构创新有效降低了锂离子的扩散势垒,使得锂离子在材料中的传输更为顺畅,从而实现了更深层次的相变反应,提高了材料的容量利用率。其次,在正极材料的表面和晶界处,钨的引入形成了致密且均匀的LiWxOy相,这层保护膜不仅有效阻止了电解液对材料的侵蚀,还显著延长了电池的循环寿命。
实验数据显示,钨元素的引入使得高镍层状氧化物正极材料在*循环中的可逆容量增加了14 mAh/g,这一显著提升直接反映了材料结构优化的成效。更重要的是,通过微观结构的精细调控,该材料在保持高容量的同时,也展现出了优异的循环稳定性。在200个循环后,材料依然能够保持较高的可逆容量,证明了其在实际应用中的巨大潜力。
该研究成果已以“Unraveling Mechanism for Microstructure Engineering toward High-Capacity Nickel-Rich Cathode Materials”为题发表在wiley online library上。
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