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。
![20230608-行星式离心解团过程中共晶锂盐实现的陶瓷粉体解团聚-材料学院-图1.jpg](https://www.tsinghua.edu.cn/__local/6/DF/16/BF2077EED89984AF195D41F022E_E9FB4FF4_31F3C.jpg)
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
![20230608-共晶锂盐与氧化物陶瓷前驱体的反应浸润-材料学院-图2.jpg](https://www.tsinghua.edu.cn/__local/B/E1/0B/6572A193D55FB792E7411269768_77A45B50_42E41.jpg)
图2.共晶锂盐与氧化物陶瓷前驱体的反应浸润
![20230608-共晶锂盐与氧化物陶瓷前驱体的反应浸润-材料学院-图3.jpg](https://www.tsinghua.edu.cn/__local/D/9C/12/7112680854B129A01CE1BEDF905_08E60D5B_2E67D.jpg)
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