高鎳層狀氧化物作為鋰電正極材料的有序度調控

鋰離子電池作為現代便攜式電子設備和電動汽車的主要電源，是當前高科技社會不可或缺的一部分。因此，要求鋰離子電池具有高能量和功率密度、優異的循環性能、良好的環境效應、低成本、安全穩定。

隨著高性能硅碳復合陽極材料的快速發展，陰極材料已成為制約下一代鋰離子電池發展的關鍵因素。層狀富鋰和富鎳過渡金屬氧化物具有較高的儲鋰能力和工作潛力，是鋰離子電池正極材料研究的兩大熱點材料。

富鋰層狀陰極材料在循環過程中工作電位持續下降的技術問題迄今尚未得到妥善解決。因此，高鎳層狀氧化物有望成為高能鋰離子電池的理想正極材料。然而，高鎳層狀陰極材料（LiNi1-xMxO2；

M=鈷、錳…）在制備過程中會發生Ni3+還原為Ni2+離子以及隨后Ni2+在鋰離子層中的占據，這將導致Ni2+/Li+陽離子在最終產物結構中混合，并形成表面熔巖雜質，這將嚴重影響高鎳層狀陰極材料的電化學性能。

針對上述問題，布魯克海文國家實驗室可持續能源技術系王峰研究員、同步加速器光源白建明研究員、東吳大學物理光電與能源系能源學院高立軍教授課題組成員趙建清副教授，利用原位X射線衍射、同步輻射X射線衍射和高分辨率掃描透射電子顯微鏡、中子衍射等先進技術，研究了高鎳層狀氧化物制備過程中相變和陽離子混合的具體原因以及影響其層狀結構有序性的相關因素。

通過鈷的摻雜和煅燒工藝（煅燒溫度、煅燒氣氛和保溫時間）的優化，大大減少了高鎳層狀氧化物熱處理過程中Li元素的損失和結構表面NiO型熔巖相的形成，獲得了具有高結構有序性的LiNi0.8Co0.2O2，Ni2+/Li+陽離子的混合放電率小于2%。

優化后的高鎳層狀陰極材料在寬工作電位（2.7-4.6V）下的比容量可達到220mAh/g以上，循環穩定性顯著提高。同時，XRD和NDP數據細化的結果表明，NiO前驅體通過鋰化直接形成貧鋰的層狀中間相，不存在廣泛報道的尖晶石狀中間相。

在最佳煅燒溫度下，貧鋰層狀中間相的鋰化和鋰氧損失之間存在競爭關系，這是高鎳層狀氧化物結構表面出現熔巖雜質的主要原因。通過優化熱處理條件和必要的鈷摻雜，可以改善高鎳層狀陰極材料的結構有序性和電化學性能。鋰離子電池作為現代便攜式電子設備和電動汽車的主要電源，是當前高科技社會不可或缺的一部分。因此，要求鋰離子電池具有高能量和功率密度、優異的循環性能、良好的環境效應、低成本、安全穩定。

隨著高性能硅碳復合陽極材料的快速發展，陰極材料已成為制約下一代鋰離子電池發展的關鍵因素。層狀富鋰和富鎳過渡金屬氧化物具有較高的儲鋰能力和工作潛力，是鋰離子電池正極材料研究的兩大熱點材料。

富鋰層狀陰極材料在循環過程中工作電位持續下降的技術問題迄今尚未得到妥善解決。因此，高鎳層狀氧化物有望成為高能鋰離子電池的理想正極材料。然而，高鎳層狀陰極材料（LiNi1-xMxO2；

M=鈷、錳…）在制備過程中會發生Ni3+還原為Ni2+離子以及隨后Ni2+在鋰離子層中的占據，這將導致Ni2+/Li+陽離子在最終產物結構中混合，并形成表面熔巖雜質，這將嚴重影響高鎳層狀陰極材料的電化學性能。

針對上述問題，布魯克海文國家實驗室可持續能源技術系王峰研究員、同步加速器光源白建明研究員、東吳大學物理光電與能源系能源學院高立軍教授課題組成員趙建清副教授，利用原位X射線衍射、同步輻射X射線衍射和高分辨率掃描透射電子顯微鏡、中子衍射等先進技術，研究了高鎳層狀氧化物制備過程中相變和陽離子混合的具體原因以及影響其層狀結構有序性的相關因素。

通過鈷的摻雜和煅燒工藝（煅燒溫度、煅燒氣氛和保溫時間）的優化，大大減少了高鎳層狀氧化物熱處理過程中Li元素的損失和結構表面NiO型熔巖相的形成，獲得了具有高結構有序性的LiNi0.8Co0.2O2，Ni2+/Li+陽離子的混合放電率小于2%。

優化后的高鎳層狀陰極材料在寬工作電位（2.7-4.6V）下的比容量可達到220mAh/g以上，循環穩定性顯著提高。同時，XRD和NDP數據細化的結果表明，NiO前驅體通過鋰化直接形成貧鋰的層狀中間相，不存在廣泛報道的尖晶石狀中間相。

在最佳煅燒溫度下，貧鋰層狀中間相的鋰化和鋰氧損失之間存在競爭關系，這是高鎳層狀氧化物結構表面出現熔巖雜質的主要原因。通過優化熱處理條件和必要的鈷摻雜，可以改善高鎳層狀陰極材料的結構有序性和電化學性能。

標簽：現代

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