麻省理工李巨最新Nature Energy: 首創解聚新工藝

一、【導讀】

? 近年來，電動汽車和其他應用對儲能的需求不斷增長。與此同時，具有更高能量密度、更長循環壽命和更高安全性的先進鋰離子電池（LIBs）的開發也迫在眉睫。對于LIB正極，最先進的富鎳層狀氧化物和新興的富鋰/錳層狀氧化物均是由初級顆粒（晶粒尺寸約100 至200 nm）和組裝的次級顆粒（直徑約10 μm）組成的多晶形態。不幸的是，多晶形態正極在電極老化和電池循環過程中容易發生開裂，產生大量未經保護的電化學活性表面，加劇了正極材料與電解液之間的副反應，從而導致全電池電化學性能的衰減。為了解決這一問題，研究人員提出單晶化的正極（無晶界的微米晶粒尺寸的獨立顆粒）策略，并引起了人們的廣泛關注。

? 目前，制備高性能富鎳單晶正極的工藝包括多步高溫煅燒，使用過量鋰鹽和熔鹽助焊劑法（例如，NaCl，KCl和Li₂SO₄），然后進行額外的洗滌或煅燒。盡管如此，煅燒后還需要額外的處理步驟，正極顆粒的團聚仍然是一個需要解決的主要問題。因此，迫切需要開發一種適用于富鎳和富鋰/錳正極的具有成本效益的通用制備方法。

二、【成果掠影】

? 近日，麻省理工學院李巨教授和韓國蔚山國家科學技術研究院Jaephil Cho教授等人開發了一種機械化學活化新工藝，為化學合成富鋰/錳或富鎳單晶正極的難題提供了通用解決策略，這與難以擴大規模的設備和能量密集和長時間的機械化學路線具有顯著的區別。相關的研究成果以“Eutectic salt-assisted planetary centrifugal deagglomeration for single-crystalline cathode synthesis”為題發表在Nature Energy上。

三、【核心創新點】

? 1、作者報告了一種全新的行星式離心解聚技術，該技術可以從自制或市售的共沉淀前體中大規模生產具有優異電化學性能和穩定性的微米級富鋰/錳和富鎳組合物的單晶正極。

? 2、解聚良好的納米氧化物在煅燒階段很容易與周圍的鋰鹽發生反應，粗化成微米級的獨立單晶粉末。通過消除電極老化和電池循環過程中的晶間開裂從而提高的電化學性能。

圖1 用于單晶正極合成的行星離心解聚技術。?2023 The Author(s)

圖2 ?行星離心混合過程中熔融鋰鹽的二次粒子解聚。?2023 The Author(s)

圖3 納米級機械化學反應潤濕。?2023 The Author(s)

圖4微型單晶LMR的結構特征。?2023 The Author(s)

圖5? SC-LMR 優于 PC-LMR 的電化學性能。?2023 The Author(s)

圖6單晶富鎳層狀正極循環前后結構演變過程。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? 綜上所述。作者提出通過行星式離心進行簡單機械活化，能夠使共晶鋰鹽與過渡金屬氧化物前驅體之間發生顯著的反應浸潤。從而形成 “機械-納米懸浮液”。充分解聚的過渡金屬氧化物在燒結階段更容易與周圍的鋰鹽發生反應，并長大為微米大小的單晶顆粒。富鋰錳基正極和高鎳三元正極的單晶化提供了優異的電化學性能，也能夠顯著地提升循環性能、延緩電壓衰減、抑制析氧和過渡金屬溶解。該方法簡單、可宏量制備，能夠在相對溫和且可控的條件下進行，具有很好的工業化前景。并且這種在相對溫和、易于獲取和定量良好的條件下進行的類似機械化學處理法能夠為許多其他應用提供更多的新穎路徑。

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原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01233-8

本文由K . L撰稿。