先进能源材料化学教育部重点实验室（南开大学） Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)

Recent advances in Ni-rich layered oxide particle materials for lithium-ion batteries (Open Access)

Yong Lu, Yudong Zhang, Qiu Zhang, Fangyi Cheng, Jun Chen*

DOI: 10.1016/j.partic.2020.09.004

Keywords: Lithium-ion batteries; Cathode materials; Ni-rich layered oxides; Particle materials; Design strategies

背景 · 导读

锂离子电池目前广泛应用于各类便携式电子设备，并在电动汽车和智能电网等大规模储能领域中显示出巨大的应用前景。正极材料是锂离子电池最关键的组成部分之一，在很大程度上决定了电池系统整体的能量密度和成本。目前商业化正极材料按其结构可分为三大类：层状、尖晶石和橄榄石。其中高镍层状氧化物正极材料NCM和NCA（LiNi_xCo_yMn_zO₂，LiNi_xCo_yAl_zO₂，x + y + z = 1，x ≥ 60%）具有较高的实际比容量（≥ 180 mAh/g）、高的工作电位（~3.7 V vs. Li⁺/Li）和较低的成本，因而成为了学术界和工业界关注的热点。然而，高镍材料面临着表面残锂、产气、岩盐相形成、微裂纹、金属离子溶解和热失控等问题（如下图所示），并且随镍含量的增加逐渐恶化，导致材料电化学性能衰减并带来安全隐患，限制了它们的进一步大规模应用。近年来，许多工作对高镍材料的这些问题展开了研究，取得了较大的进展，然而其材料特征、作用机理、构效关系等亟待深入理解。

高镍层状氧化物颗粒正极材料面临的问题和挑战

内容 · 简介

基于上述背景，南开大学陈军院士团队系统地总结了近年来锂离子电池高镍层状氧化物颗粒正极材料的研究进展。文章首先介绍了高镍层状氧化物材料的结构特征、氧化还原机理和存在的问题。然后系统地讨论了解决高镍层状氧化物材料问题的四种策略，包括一次颗粒工程（一次颗粒定向排列，单晶）、表面包覆、元素掺杂和浓度梯度设计，在讨论中重点关注了材料结构与性能的关系。通过优化一次颗粒可以缓解材料循环过程中的应变、有时还能改善多晶粒子的电荷分布，然而具有特定一次颗粒的材料的制备机理仍有待进一步深入研究。表面包覆和元素掺杂是常见的改性方法，对于表面包覆，Li₃PO₄等既导锂离子又导电子的包覆材料更能有效地提高材料的综合性能；对于掺杂改性，Mg²⁺和Al³⁺等离子由于能有效稳定高镍材料的结构而被认为是很有前景的掺杂剂。此外，具有浓度梯度结构的高镍材料一般表现出良好的循环性能和热稳定性，但如何保证这类材料性能的一致性和降低生产成本仍是一个难题。

锂离子电池高镍层状氧化物颗粒正极材料的现状和未来发展方向

为了使电动汽车比传统燃油汽车更具竞争力，电动汽车电池整体的能量密度需要达到350 Wh/kg（800 Wh/L）以上、一次充电行驶里程超过800 km。这一目标的实现很大程度上取决于未来高镍正极材料（其中Ni含量高于90%）的发展。为提升高镍正极材料的综合性能，加快其大规模应用，作者认为未来的工作需要将颗粒工程、表面/体相改性方法中具有协同效应的两种或两种以上技术相结合来改性高镍正极材料（如上图所示）。经过不断的研究和探索，相信未来高镍层状氧化物颗粒正极材料将在锂离子电池大规模应用中发挥更重要的作用。