随着交通工具电动化进程加快，新能源汽车市场对高能量密度、高安全、低成本锂离子电池的需求量与日俱增。动力电池能量密度和循环寿命的提升是新能源汽车发展的主要挑战，其中正极材料是决定电池能量密度、成本及电化学特性的主要因素。目前，高镍三元氧化物因其高容量成为电动汽车锂离子电池正极材料中利用率最高的材料。为进一步降低成本和提高电化学容量，需要尽可能降低钴含量和提升镍含量。但是，随着镍含量的增加，材料表面化学稳定性和结构稳定性逐渐变差，从而导致其循环性能和热稳定性欠佳。因此，探索高镍正极材料结构失效机制成为业界热点。
基于此，西安交通大学滑纬博特聘研究员课题组与四川大学化工学院、德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、北京光源等国内外科研人员合作，通过调整烧结温度合成出具有不同阳离子无序度的无钴高镍正极材料Li1-m(Ni0.94Al0.06)1+mO2（NA），结合同步辐射衍射（SXRD）、X射线吸收谱（XAS）、对分布函数分析（PDF）等技术深入探究NA材料长程阳离子无序程度与容量衰减的关联性。研究表明，具有较低阳离子无序度（NA-LCD，m≤0.06）的NA颗粒表面在快速充放电过程中（1C或3C）体相仍保持着有序的层状相，但其表面易形成与体相晶格失配的无序层状相（疲劳相），使其失效过程趋于异相反应。这种“核-壳”结构大大增加了锂离子在晶粒中的扩散壁垒，导致材料在循环过程中容量快速衰减。相比之下，具有较高阳离子无序度（NA-HCD，0.06≤m≤0.15）的NA正极材料在电化学反应过程中晶格畸变/应变逐渐累积于整个颗粒中，失效过程更趋于均相反应，反而导致其容量衰减缓慢，如图1所示。
图1 无钴超高镍正极材料在长周期循环过程中的两种不同失效机制
该成果以《长程阳离子无序诱导无钴高镍层状氧化物的两种不同失效机制》（Long-Range Cationic Disordering Induces two Distinct Degradation Pathways in Co-Free Ni-Rich Layered Cathodes）为题发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Edit.）上，西安交大滑纬博特聘研究员为第一作者及通讯作者，硕士研究生张吉禄、博士王苏宁为共同第一作者，西安交大唐伟教授、德国卡尔斯鲁厄理工学院Sylvio Indris教授和四川大学郭孝东教授为共同通讯作者。这也是该团队在继前期构建无序纳米保护层抑制镍酸锂晶格氧析出、原位同步辐射衍射揭示层状嵌锂/钠/钾过渡金属氧化物的形成机制和单晶富锂锰基正极材料可控制备及电压衰减机理研究工作之后的又一重要进展。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202214880
