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科技日报记者 赵汉斌
在新能源电池研究前沿，新型高镍正极材料的开发及规模化制备显得尤为迫切。记者10日从云南大学材料与能源学院获悉，近期该院郭洪教授团队设计并制备出一种新型高镍三元正极材料，具有广阔的应用前景。国际期刊《德国应用化学》发表了相关研究成果。
由于具有较高的放电比容量、较好的循环及热稳定性，新型高镍三元正极材料的研发备受关注。“目前这类商业化的产品主要集中在镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂，然而传统高镍三元正极材料循环稳定性、空气稳定性及热稳定性较差，严重阻碍了产业化进程。”郭洪介绍，最新研究表明，高价态元素掺杂形成的新型高镍正极材料，不但能很好地优化一次晶粒的形貌，还能构建结构稳定且不影响锂离子输运的超晶格层，进而很好地消除二次颗粒在充放电过程中于内部形成的微应力，优化锂离子的迁移路径，有效提高正极材料在充放电循环及热失控过程中的结构稳定性。
研究示意图。云南大学材料与能源学院供图
为此，郭洪教授团队对材料的微观结构进行精确可控设计，并结合理论计算的方式，深入研究了不同元素掺杂能垒以及它们之间的竞争掺杂化学机制；采用密度泛函理论，计算分析表面锂离子导体包覆层与基体之间的匹配度及相互作用机制。随后组装了以石墨为负极、新型高镍三元正极材料为正极的液态全电池，并对材料循环稳定性作了系统评估。
结果表明，研究团队成功制备出亚表面具有超晶格、体相掺杂钛、表面包覆锂离子导体的镍钴钼酸锂高镍（镍含量高于90%）正极材料。其独特的结构特征，在实现正极材料长循环稳定性方面具有多种功能，其中纳米级包覆层抑制电解质与正极材料之间的副反应，抑制表面结构从层状到岩盐相的重构；钛掺杂增大锂-氧层的层间距，增强金属-氧键，提高电子电导率；超晶格结构有效稳定脱锂态层状结构，抑制表面结构从层状到岩盐相的重构。
“这一创新合成策略，也适用于其他新型高镍正极材料的开发，为制备成本更低、循环稳定性更好、能量密度更高的下一代锂离子电池提供了新途径。”郭洪说。
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