随着锂离子电池在电动汽车和小型电网储能等方面的应用，人们对其能量密度、循环性能和倍率性能等方面的要求也越来越高。锂离子电池的正极材料是限制其能量密度提升的重要一环。与目前商业化的钴酸锂、磷酸铁锂和三元材料相比，高镍层状材料具有容量高和成本低的优势，成为下一代动力电池正极材料的首选之一。然而，其较差的循环稳定性和倍率性能成为制约其商业化应用的主要因素。这和高镍正极材料的表面结构和化学特性有很大的关系。因此，研究高镍材料的表面结构，找出影响其电化学性能的结构起源和机理，对于提升高镍材料的电化学性能，加快其产业化进程，具有十分重要的意义。
近日，由北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授领导的清洁能源中心研究团队和美国布鲁克海文国家实验室王峰和白健明教授合作，运用原位同步辐射X-射线衍射谱、X-射线吸收谱（XPS）、扫描透射显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）结合电化学表征，对锂离子电池高镍层状氧化物材料在制备过程中的表面重构现象及相关机理进行了深入研究，该工作近日发表在能源材料领域知名期刊《先进能源材料》（Advanced Energy Materials， IF=24.884）上。此外，采用同步辐射技术对锂电池高镍层状氧化物材料在制备过程中表面重构对阳离子无序（锂镍混排）的影响及机理进行了深入系统的研究，相关工作发表在著名期刊《材料化学杂志A》（Journalof Materials Chemistry A, IF=10.733）上。

图1.高镍层状材料在降温过程中的表面重构机理
潘锋课题组采用独特的原位同步辐射X-射线衍射结合各种表面表征技术，研究了高镍层状材料LiNi_0.7Mn_0.15Co_0.15O₂（NMC71515）在合成过程中由降温诱导的表面重构现象，包括Li₂CO₃在颗粒表面的堆积、表面缺Li层的形成及Ni³⁺的部分还原。这一现象主要是由颗粒近表面区域的Li/O丢失引起的，发生在350度以上的高温条件下。它和高镍材料在存储过程和电化学循环过程中的表面重构由很大的区别，具有形成速度快、降温速率依赖等特点。进一步的电化学研究表明，降温过程中采用淬火策略可以极大抑制表面重构现象，降低颗粒表面阻抗，显著提升材料的倍率性能。此外，采用同步辐射X-射线衍射系统地研究了NMC71515在合成过程中阳离子无序的热力学和动力学行为，发现体相中的阳离子无序和表面重构行为（颗粒表面Li₂CO₃的分解和Li/O丢失）紧密相关。在此基础上，通过调控表面重构，获得了高倍率和高容量的NMC71515。这两个研究工作为基于高镍材料自身表面化学特性调控，获得高容量、高倍率、高稳定性的正极材料提供了新的手段。

图2.高镍层状材料在制备过程中表面重构对锂镍混排的机理及调控
这两个工作由潘锋和王峰、白健明共同指导完成。Advanced Energy Materials论文第一作者为张明建，潘锋、白健明、王峰为共同通信作者。Journal of Materials Chemistry A论文第一作者为段彦栋和杨卢奕，潘锋、王峰为共同通信作者。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划，广东省重点实验室和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.201901915
https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c8ta10553g