目前，電動汽車面臨續(xù)航里程短和安全性不足等問題，制約了其大規(guī)模推廣。如果電動汽車擁有與燃油車相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程，消費者駕駛電動汽車時將不再有里程焦慮，有利于實現(xiàn)電動汽車的大規(guī)模推廣。

據(jù)寧波材料技術(shù)與工程研究所消息，在目前已知的正極材料中，富鋰錳基正極材料放電比容量高達(dá) 300mAh / g，是當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料放電比容量的兩倍左右。因此，富鋰錳基正極材料被認(rèn)為是新一代高能量密度動力鋰電池的理想之選，更是動力鋰電池能量密度突破 400Wh/kg的技術(shù)關(guān)鍵。

近十年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動力鋰電池工程實驗室研究員劉兆平團(tuán)隊長期致力于富鋰錳基正極材料的研究開發(fā)，圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環(huán)過程中電壓衰減和氧析出等關(guān)鍵科學(xué)問題開展了研究并取得系列研究結(jié)果。

近期，研究團(tuán)隊對富鋰錳基正極材料中鎳鈷元素與氧活性關(guān)系以及富鋰錳基正極材料的改性優(yōu)化開展了深入研究，取得了系列進(jìn)展。首先，他們與美國加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員合作，利用上海光源和東莞散裂中子源等大科學(xué)裝置，圍繞富鋰錳基正極材料中鎳鈷元素與氧活性問題開展了研究（圖 1），該研究成果近日在線發(fā)表在 Materials Today 上。

▲ 圖 1

與此同時，針對富鋰錳基正極材料的氧活性利用與其能量效率的相互矛盾問題（圖 2），研究團(tuán)隊與美國布魯克海文國家實驗室研究人員合作開展了深入研究，利用原位 X 射線衍射譜和原位 X 射線吸收譜，揭示了晶格氧氧化還原動力學(xué)與過渡金屬遷移重排速率的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)通過微調(diào)化學(xué)組成適度減少 Li 含量并增加 Ni 含量，可以有效限制 Li2MnO3 相疇的擴(kuò)大，并誘發(fā)電化學(xué)過程中可逆 Ni 混排，使 Ni 離子阻斷 Mn 離子的擴(kuò)散遷移路徑，從而一定程度緩解電化學(xué)反應(yīng)過程中離子遷移遲滯的現(xiàn)象。這一研究結(jié)果為設(shè)計高能效和長循環(huán)穩(wěn)定性的富鋰錳基正極材料提供了新思路。該研究成果發(fā)表在 Energy Storage Materials 上。

▲ 圖 2

此外，研究團(tuán)隊綜合采用表面摻雜、氣固界面改性、表面包覆等表面改性手段，實現(xiàn)了復(fù)合表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑（圖 3），制備出一種高比容量和長循環(huán)穩(wěn)定性的富鋰錳基正極材料。研究團(tuán)隊采用該富鋰錳基正極材料和石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料，設(shè)計研制了能量密度達(dá) 345Wh/kg的新型電池（容量 20Ah），并表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究成果發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry A 上。