北理工課題組在高比能鋰離子電池研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2023-12-24 供稿：材料學(xué)院 代中盛 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
12月3日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院李麗教授課題組在鋰離子電池高鎳正極材料研究中取得重要進展，設(shè)計了氧離子導(dǎo)體表面修飾高鎳電極材料，實現(xiàn)了高能量密度電池材料界面調(diào)控。相關(guān)成果發(fā)表以Defective oxygen inert phase stabilized high-voltage nickel-rich cathode for high-energy lithium-ion batteries為題發(fā)表于綜合類期刊Nature Communications。北京理工大學(xué)材料學(xué)院2022級博士研究生代中盛為第一作者。（文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43792-0）
日益嚴重的能源危機和環(huán)境問題促進了人們對先進能源材料的探索和開發(fā)。鋰離子電池作為一種新型儲能裝置，已成功應(yīng)用于電動汽車和智能電網(wǎng)。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車由于動力鋰電池的能量密度有限而面臨里程焦慮。因此，發(fā)展高比能鋰離子電池成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界亟待解決的問題。高鎳正極具有優(yōu)越的理論容量，高的離子擴散系數(shù)和相對較低的成本，被廣泛認為是下一代高性能鋰離子電池最有前途的候選者。然而，在充放電過程中，由材料表面開始的氧析出問題不僅引起了材料由層狀相到鋰離子傳導(dǎo)惰性巖鹽相的相變，也造成了嚴重的界面副反應(yīng)。同時，活性氧與電解液反應(yīng)能夠放出大量熱，當(dāng)熱量積累至足以使隔膜融化時，正負極的接觸短路會使得電池劇烈產(chǎn)熱，最終造成電池?zé)崾Э?。因此，抑制高鎳正極表面氧析出為高鎳正極的全面商業(yè)化提供契機。
鑒于此，北京理工大學(xué)材料學(xué)院李麗教授課題組提出了一種利用氧離子導(dǎo)體La2Mo2O9 (LMO)表面修飾高鎳NCM811的新策略，利用La和Mo離子與表面氧強的化學(xué)鍵作用“錨定”了表面氧，通過控制LMO的煅燒溫度，可以得到兼具富含本征氧空位和氧緩慢傳輸LMO包覆層，可有效抑制高鎳正極中氧析出，提升了其電化學(xué)性能。
圖1 (a) 高鎳正極高壓失效機制及利用LMO表面改性示意圖；(b) 組裝的LMO-NCM/Gr軟包電池性能；(i, j) 改性前后鋰濃度分析。
面對廢舊電池回收處理與資源循環(huán)、高比能二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計、電極材料失效分析等方面，李麗教授課題組取得了系列科研成果。近期代表性工作如下：
1. Sustainable recycling technology for Li-Ion batteries and beyond: challenges and future prospects, Chem. Rev. 2020, 120 (14): 7020-7063. Doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00535 (第一作者：范二莎博士生)
2. Defective oxygen inert phase stabilized high-voltage nickel-rich cathode for high-energy lithium-ion batteries. Nat. Commun. 14, 8087 (2023). Doi: 10.1038/s41467-023-43792-0 (第一作者：代中盛博士生)
3. Carbon neutrality strategies for sustainable batteries: from structure, recycle, property to application. Energy Environ. Sci. 2023, 16, 745-791. Doi: 10.1039/d2ee03257k（第一作者：林嬌博士生）
4. An emerging and consummate photocatalysis-assisted strategy for efficient recycling of spent lithium-ion batteries. ACS Energy Lett . 2023, 8, 4287-4295. Doi: 10.1021/acsenergylett.3c01635 (第一作者：呂曉偉博士生)
5. Degradation of Ni-rich cathode materials: A multiple fields coupling with negative feedback process. Energy Storage Mater. 2023, 63, 103050. Doi: 10.1016/j.ensm.2023.103050 (第一作者：黃清榮博士生)
6. Interfacial designing of MnO2 half-wrapped by aromatic polymers for high-performance aqueous zinc-ion batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 134, e202212231. Doi: 10.1002/anie.202212231（第一作者：趙逸博士后）
7. A Self-Regulated Electrostatic Shielding Layer toward Dendrite-Free Zn Batteries. Adv. Mater. 2022, 2203104. Doi: 10.1002/adma.202203104 (第一作者：胡正強博士生)
8. Achieving sustainable and stable potassium-ion batteries by leaf-bioinspired nanofluidic flow. Adv. Mater. 2022, 2204370. Doi: 10.1002/adma.202204370 (第一作者：張喜雪博士生)
9. Sustainable upcycling of spent lithium-ion batteries cathode materials: stabilization by in situ Li/Mn disorder. Adv. Energy Mater. 2022, 202201174. Doi: 10.1002/aenm.202201174 (第一作者：林嬌博士生)
10. High-performance aqueous zinc batteries based on organic cathodes integrating multi-redox centers. Adv. Mater. 2021, 210646. Doi: 10.1002/adma.202106469 (第一作者：趙逸博士后)
附作者簡介：
代中盛，北京理工大學(xué)2022級博士研究生, 師從李麗教授，研究方向為高性能鋰離子電池關(guān)鍵材料及應(yīng)用。
李麗，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。入選教育部長江學(xué)者特聘教授，英國皇家化學(xué)學(xué)會會士、教育部新世紀優(yōu)秀人才等。長期從事新型綠色二次電池關(guān)鍵材料設(shè)計、廢舊電池回收處理與資源化利用，綠色二次電池衰減機理與智能診斷等研究開發(fā)。
陳人杰，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。入選教育部長江學(xué)者特聘教授，英國皇家化學(xué)學(xué)會會士、中國工程前沿杰出青年學(xué)者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學(xué)和科研工作。
吳鋒，北京理工大學(xué)杰出教授、博士生導(dǎo)師，中國工程院院士，國際歐亞科學(xué)院院士，亞太材料科學(xué)院院士，長期從事新型二次電池與相關(guān)能源材料的研究開發(fā)。作為第一完成人，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、國家科技進步二等獎各一項、部級科學(xué)技術(shù)和技術(shù)發(fā)明一等獎5項；獲何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進步獎、國際電池材料學(xué)會(IBA)科研成就獎等。
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