image: 将合成温度从850提高至900°C会引起富锂锰基正极中锂、镍和锰离子的迁移，这导致其结构从固溶体转向两相结构。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
由中国科学院物理研究所的苏东教授、刘淼教授和雷鑫铖博士，以及浙江万里学院的王新教授和王加义博士共同领导的研究团队，利用先进的透射电子显微镜，在原子尺度上分析了Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正极材料在合成过程中的结构变化。研究发现，离子迁移在合成过程中促进了独特的微米尺度相分离结构的形成，这一发现有望对富锂正极材料的结构进行更加精细的调控。
自诺贝尔奖得主约翰·古迪纳夫（John Goodenough）于1980年开发出LiCoO2正极材料以来，锂离子电池正极材料经历了长足的发展。多年来，研究人员一直致力于用镍取代钴，以实现更高的容量和更低的成本。然而，即使是完全不含钴的LiNiO2正极材料，依然难以满足人们对更高能量密度日益增长的需求。
一种有希望的解决方案是开发富锂正极材料，它们能够提供高达1000 Wh/kg的能量密度——足以驱动长续航电动汽车，甚至是电动飞机。尽管富锂正极材料潜力巨大，但科学家们一直难以完全理解其原子尺度的晶体结构，这阻碍了材料的进一步改性研究。
过去二十多年来，关于富锂正极材料是呈现固溶结构还是两相结构的讨论一直在进行。为了解决这一问题，该研究团队对Li1.2Ni0.2Mn0.6O2正极材料在合成过程中的结构进行了详细分析。他们发现，当加热温度超过900°C时，材料从固溶相结构发生转变，形成分离的两相结构。与之前认为两相在纳米尺度上混合的模型不同，研究人员发现它们在微米尺度上是分相的。这种转变主要是由于高温下正极颗粒内部的阳离子迁移所驱动。
“想象一颗宝石的一半是钻石而另外一半是红宝石——这是一种独特的新结构。”一位研究人员解释道，“这种新结构表现出截然不同的电化学特性，拓宽了我们对富锂正极材料的理解。这一发现开启了微米尺度下正极相工程的研究，有望为高能量密度锂离子电池的研发带来突破性进展。”
该发现不仅加深了对富锂正极材料的理解，还为设计能够满足未来技术需求的新一代电池奠定了基础。