高性能鋰離子電池正極材料是實現下一代長續航、長壽命電動汽車的關鍵。然而，當前鋰離子電池的能量密度和循環壽命呈倒置關系，其中電極材料與電解液的界面副反應則是主要誘因之一。表面包覆是減緩電解液與正極之間副反應的最有效途徑之一。然而，傳統包覆工藝通常只關注包覆層本身的作用，較少考慮其與電解液的相互作用及后續的原位轉化產物對電池性能改善的機理。
近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部研究人員與北京大學、阿貢實驗室合作，在超高鎳單晶鋰電正極材料的表面改性研究方面取得了新進展，開發出了一種將富質子預包覆層原位轉化為富含亞納米級無機物的高效保護膜的全新策略。富質子預包覆層分解過程中產生的局部高濃度質子在原位構建保護膜時起到了關鍵作用。該研究成果以“In Situ Conversion of Artificial Proton-Rich Shell to Inorganic Maskant Toward Stable Single-Crystal Ni-Rich Cathode”為題，發表于材料領域頂級期刊《Advanced Materials》。
研究人員通過較低溫度條件下原位CVD反應，在超高鎳單晶LiNi0.92Co0.06Mn0.02O2表面構建了一層NH4HCO3殼層。在充電過程中，殼層原位轉化為高效保護膜。首次充電時，NH4HCO3殼層電化學分解產生的局部高濃度質子，快速誘導少量電解質LiPF6分解，從而在正極材料表面原位形成富含亞納米級LiF和Li3PO4的保護膜。該保護膜有效抑制了活性材料與電解液在長時間循環過程中的持續反應及正極材料界面結構的退化，從而顯著提高了電池的使用壽命。例如，含該保護膜的正極與常規正極的全電池經過800次循環后，容量保持率分別為83%和66%。研究為電極/電解液的界面穩定化提供了新思路，也有望為下一代高性能長壽命鋰離子電池的開發提供重要理論支撐。
金屬所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部譚興華副研究員為該研究的主要完成人和共同通訊作者，金屬所、北京大學和阿貢實驗室為共同通訊單位。
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圖1. 表面富質子包覆層原位轉化為富無機保護膜的示意圖
圖2. 富質子預包覆層的構筑
圖3. 富質子包覆層原位轉化機理研究
圖4. 鋰離子電池性能表征與測試
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