清华新闻网6月12日电 高性能陶瓷粉体是新能源、新材料的核心之一，其关键在于合成与制备科学的研究和新工艺的开发。在锂离子电池领域，随着消费者对电动汽车、电子产品续航要求的提高，开发高能量密度、长寿命氧化物陶瓷正极材料迫在眉睫。现阶段的高镍三元和富锂锰基正极材料大多是具有多晶形貌的陶瓷粉体，即由细小的一次颗粒组装成的微米级二次颗粒。然而，多晶正极在电池循环过程中易发生开裂，产生大量未经保护的电化学活性表面，加剧了正极材料与电解液之间的副反应，从而导致全电池电化学性能的衰减。为了解决这一问题，研究人员提出单晶化的正极发展路线，近年来在高镍单晶正极领域取得了重要进展，但高性能微米级富锂锰基单晶正极的合成仍是一大挑战。目前，合成单晶正极所采用的方法，往往使用过量的锂盐或不具有反应活性的熔盐体系，高温锂化后需要增加额外的清洗和退火来优化其电化学性能。此外，单晶颗粒间的团聚仍然是一个难以解决的问题。
基于上述背景，清华大学董岩皓助理教授与合作者韩国蔚山国立科技学院曹在弼（Jaephil Cho）教授和美国麻省理工学院李巨教授提出了一种全新的行星式离心解团工艺，通过温和条件下的机械化学过程，成功制备出了具有优异电化学性能和稳定性的微米级富锂锰基单晶正极和高镍三元单晶正极，为单晶正极的合成提供了一个通用的解决方案。与高能量、长时间、难实现规模化生产的机械化学路线不同，该方法通过行星式离心使共晶锂盐液化，将团聚的多晶三元前驱体转化为均匀分散在锂盐基体中的纳米级陶瓷颗粒。该方法可实现多晶陶瓷粉体的有效解团和锂盐的均匀化分布，促进高温锂化过程中的单晶颗粒生长，显著提升了单晶正极材料的电化学性能。
文章提出的行星式离心解团工艺能够将具有球形二次颗粒形貌的过渡金属氧化物前驱体，在与LiOH-LiNO₃共晶锂盐混合的过程中，分离成均匀分布在锂盐基体中的一次纳米颗粒。在混合过程中，体系的宏观和微观形貌均发生了显著的变化（图1）。同时，共晶锂盐发生液化，对氧化物前驱体进行晶界腐蚀，通过反应浸润分离开氧化物前驱体的一次颗粒。这一纳米尺寸下的机械化学反应机理也在原子尺度上得到了证实（图2）。该共晶锂盐在正极高温锂化过程中被充分利用，最终获得高电化学活性的微米级富锂锰基单晶正极（图3）。这一方法也在高镍三元正极中都得到了成功的验证。

图1.行星式离心解团过程中共晶锂盐实现的陶瓷粉体解团聚

图2.共晶锂盐与氧化物陶瓷前驱体的反应浸润

图3.富锂锰基单晶正极的结构表征
相关研究成果以“共晶锂盐辅助的行星式离心解团法制备单晶正极”（Eutectic salt-assisted planetary centrifugal deagglomeration for single-crystalline cathode synthesis）为题发表于《自然·能源》（Nature Energy）期刊2023年第5期。
美国麻省理工学院尹文秀（Moonsu Yoon）和清华大学材料学院助理教授董岩皓为本文共同第一作者，韩国蔚山国立科技学院曹在弼（Jaephil Cho）教授和美国麻省理工学院李巨教授为本文通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01233-8
供稿：材料学院
题图设计：曾仪
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年06月12日 10:01:39