清華新聞網(wǎng)6月12日電 高性能陶瓷粉體是新能源、新材料的核心之一，其關(guān)鍵在于合成與制備科學(xué)的研究和新工藝的開(kāi)發(fā)。在鋰離子電池領(lǐng)域，隨著消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、電子產(chǎn)品續(xù)航要求的提高，開(kāi)發(fā)高能量密度、長(zhǎng)壽命氧化物陶瓷正極材料迫在眉睫?，F(xiàn)階段的高鎳三元和富鋰錳基正極材料大多是具有多晶形貌的陶瓷粉體，即由細(xì)小的一次顆粒組裝成的微米級(jí)二次顆粒。然而，多晶正極在電池循環(huán)過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂，產(chǎn)生大量未經(jīng)保護(hù)的電化學(xué)活性表面，加劇了正極材料與電解液之間的副反應(yīng)，從而導(dǎo)致全電池電化學(xué)性能的衰減。為了解決這一問(wèn)題，研究人員提出單晶化的正極發(fā)展路線(xiàn)，近年來(lái)在高鎳單晶正極領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展，但高性能微米級(jí)富鋰錳基單晶正極的合成仍是一大挑戰(zhàn)。目前，合成單晶正極所采用的方法，往往使用過(guò)量的鋰鹽或不具有反應(yīng)活性的熔鹽體系，高溫鋰化后需要增加額外的清洗和退火來(lái)優(yōu)化其電化學(xué)性能。此外，單晶顆粒間的團(tuán)聚仍然是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。
基于上述背景，清華大學(xué)董巖皓助理教授與合作者韓國(guó)蔚山國(guó)立科技學(xué)院曹在弼（Jaephil Cho）教授和美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授提出了一種全新的行星式離心解團(tuán)工藝，通過(guò)溫和條件下的機(jī)械化學(xué)過(guò)程，成功制備出了具有優(yōu)異電化學(xué)性能和穩(wěn)定性的微米級(jí)富鋰錳基單晶正極和高鎳三元單晶正極，為單晶正極的合成提供了一個(gè)通用的解決方案。與高能量、長(zhǎng)時(shí)間、難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)的機(jī)械化學(xué)路線(xiàn)不同，該方法通過(guò)行星式離心使共晶鋰鹽液化，將團(tuán)聚的多晶三元前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為均勻分散在鋰鹽基體中的納米級(jí)陶瓷顆粒。該方法可實(shí)現(xiàn)多晶陶瓷粉體的有效解團(tuán)和鋰鹽的均勻化分布，促進(jìn)高溫鋰化過(guò)程中的單晶顆粒生長(zhǎng)，顯著提升了單晶正極材料的電化學(xué)性能。
文章提出的行星式離心解團(tuán)工藝能夠?qū)⒕哂星蛐味晤w粒形貌的過(guò)渡金屬氧化物前驅(qū)體，在與LiOH-LiNO3共晶鋰鹽混合的過(guò)程中，分離成均勻分布在鋰鹽基體中的一次納米顆粒。在混合過(guò)程中，體系的宏觀(guān)和微觀(guān)形貌均發(fā)生了顯著的變化（圖1）。同時(shí)，共晶鋰鹽發(fā)生液化，對(duì)氧化物前驅(qū)體進(jìn)行晶界腐蝕，通過(guò)反應(yīng)浸潤(rùn)分離開(kāi)氧化物前驅(qū)體的一次顆粒。這一納米尺寸下的機(jī)械化學(xué)反應(yīng)機(jī)理也在原子尺度上得到了證實(shí)（圖2）。該共晶鋰鹽在正極高溫鋰化過(guò)程中被充分利用，最終獲得高電化學(xué)活性的微米級(jí)富鋰錳基單晶正極（圖3）。這一方法也在高鎳三元正極中都得到了成功的驗(yàn)證。
圖1.行星式離心解團(tuán)過(guò)程中共晶鋰鹽實(shí)現(xiàn)的陶瓷粉體解團(tuán)聚
圖2.共晶鋰鹽與氧化物陶瓷前驅(qū)體的反應(yīng)浸潤(rùn)
圖3.富鋰錳基單晶正極的結(jié)構(gòu)表征
相關(guān)研究成果以“共晶鋰鹽輔助的行星式離心解團(tuán)法制備單晶正極”（Eutectic salt-assisted planetary centrifugal deagglomeration for single-crystalline cathode synthesis）為題發(fā)表于《自然·能源》（Nature Energy）期刊2023年第5期。
美國(guó)麻省理工學(xué)院尹文秀（Moonsu Yoon）和清華大學(xué)材料學(xué)院助理教授董巖皓為本文共同第一作者，韓國(guó)蔚山國(guó)立科技學(xué)院曹在弼（Jaephil Cho）教授和美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授為本文通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01233-8
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
