在全球碳達(dá)峰、碳中和大背景下,，新能源汽車和動(dòng)力電池已成為大勢(shì)所趨,。消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航的高要求迫使鋰離子動(dòng)力電池正極材料向高能量密度材料發(fā)展。目前,，三元層狀正極材料Li(Ni,Co,Mn)O2已成為動(dòng)力電池的主力,，未來提升鎳含量，其能量密度還將進(jìn)一步增長,。因此,，三元材料高鎳化逐漸成為動(dòng)力鋰電池正極材料發(fā)展的必然趨勢(shì)，但是高鎳三元材料發(fā)展已進(jìn)入動(dòng)力電池行業(yè)壁壘,。三元正極材料的合成路徑極其復(fù)雜,，受焙燒溫度、時(shí)間,、氧氣分壓和反應(yīng)物種類等多種因素影響,，其合成反應(yīng)路徑及動(dòng)力學(xué)特征的復(fù)雜性對(duì)高鎳材料的發(fā)展構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)。

　　為了探究其合成動(dòng)力學(xué)問題,，我校劉來君課題組2020級(jí)博士后王蘇寧,，與西安交通大學(xué)、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）,、西班牙同步輻射光源中心（ALBA）,、德國同步輻射光源中心（PETRA III）等相關(guān)科研人員合作，利用原位同步輻射衍射等技術(shù)研究高鎳層狀正極材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2高溫合成過程中的結(jié)構(gòu)衍變機(jī)理,、長程有序結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及晶體生長動(dòng)力學(xué)特性,。研究表明，氫氧化物前驅(qū)體Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2能在較低溫度下（~ 400 °C）與鋰源發(fā)生反應(yīng),，生成層狀無序Li1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2中間體,，最后生成層狀有序三元材料Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2（R3 ?m，600 ~ 800 °C）,。與氫氧化物前驅(qū)體不同,，碳酸鹽前驅(qū)體Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3在加熱過程中自身分解為巖鹽相(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O（Fm3 ?m）和CO2，而CO2與鋰源發(fā)生反應(yīng)生成Li2CO3，使鋰離子在較高溫度下（高于Li2CO3熔點(diǎn)723 °C）才能被釋放出來進(jìn)入巖鹽相(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O主體結(jié)構(gòu)中,。盡管Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2前驅(qū)體和Ni0.6Co0.2Mn0.2CO3前驅(qū)體的反應(yīng)路徑不同,，但它們都經(jīng)歷了由無序?qū)訝頛i1-x(Ni0.6Co0.2Mn0.2)1+xO2到有序?qū)訝钊牧螸i(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。對(duì)不同溫度下Li/TM混排占位進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)無序到有序相變?yōu)橐患?jí)反應(yīng),，反應(yīng)活化能約為0.34 eV,。通過分析晶粒尺寸隨反應(yīng)時(shí)間的遞變規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)晶粒生長受限于離子界面擴(kuò)散,，其活化能約為0.52 eV,。故反應(yīng)溫度是影響Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2中陽離子混排和晶粒尺寸最為關(guān)鍵的因素。該工作為高鎳層狀三元材料陽離子有序化及晶粒尺寸調(diào)控提供了科學(xué)依據(jù),。

　　該研究成果以Kinetic Control of Long-range Cationic Ordering in the Synthesis of Layered Ni-rich Oxides為題發(fā)表在國際著名期刊Advanced Functional Materials（影響因子16.836）上,，并被選為期刊的Frontispiece（以七星公園駱駝峰為背景，廣西繡球?yàn)閯?chuàng)意）,，如下圖所示,。該文第一作者為在站博士后王蘇寧，第一單位為桂林理工大學(xué),。

　　西班牙同步輻射光源中心ALBA以A STEP FORWARD IN THE OPTIMIZATION OF CATHODE MATERIALS FOR BETTER LITHIUM-ION BATTERIES題對(duì)該工作進(jìn)行亮點(diǎn)成果報(bào)道,，并指出“該成果可被直接用于更好的制備鋰離子電池電子器件（The results can be directly applied to the production of better Li-ion batteries for modern electronics.）”。

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202170134

論文發(fā)表情況

圖1 a氫氧化物前驅(qū)體Ni0.6Co0.2Mn0.2(OH)2和一水合氫氧化鋰的變溫同步輻射衍射圖,；b 物相組成隨溫度變化圖,；c 高溫固相反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)衍變機(jī)理圖。