近日，国际权威综合性科技期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）在线报道了重点实验室江浩教授和李春忠教授在锂离子电池富镍单晶三元正极材料理性设计和创新制备方面的最新研究成果，论文题目为“Unique insights into the design of low- strain single- crystalline Ni- rich cathodes with superior cycling stability”。
与多晶结构相比，单晶富镍三元正极材料在压实密度和安全性能等方面具有突出优势，也是下一代全固态电池正极材料的首选。然而，单晶颗粒高温锂化时的煅烧温度比多晶约高100°C，造成严重Li/O流失，产生更多的氧空位缺陷；加上充放电过程中由于锂离子扩散路径长导致其分布不均匀，从而引发晶面滑移和晶内微裂纹产生，严重影响材料的电化学性能和循环稳定性。对于不同镍含量的单晶三元正极材料，由于可逆脱嵌的锂离子数量不同，在颗粒内部的应力分布也不同，因而都会有相应的最优粒径以避免循环过程中应力集中。如何预测其最佳粒径，并在实验上获得验证具有非常重要的意义。
在这项工作中，以LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2（NCM83）正极材料为例，根据菲克第二定律和电流分布理论，建立了锂浓度分布与粒径R之间数学关系。将其带入锂离子扩散诱导的应力模型，动态定量描述了单晶颗粒应力分布，澄清了应力与粒径的动态关系，建立了断裂能与表面能随粒径变化的关系曲线，实现了长寿命大单晶粒径的理论预测，结果显示NCM83最佳颗粒尺寸为3.7微米。对于该单晶的合成，首先基于Ostward熟化定律，建立了温度-粒径-煅烧时间之间的关系，发展了高温短时脉冲锂化技术精准调控高质量单晶粒径的新方法，成功合成了粒径3.7微米的NCM83单晶颗粒，其应力分布更加均匀，软包全电池循环1000周后，容量保持率高达88.1%。这项工作为设计和合成具有优异循环稳定性的高比能单晶富镍三元正极材料提供了重要的理论指导和技术支持。
上述研究工作主要由华东理工大学材料科学与工程学院博士生韩强、化工学院博士后余海峰在江浩教授和李春忠教授指导下完成。研究工作得到了国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点等项目支持。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2317282121