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（陈军）*
Keywords: Lithium-ion batteries; Cathode materials; Ni-rich layered oxides; Particle materials; Design strategies
DOI: 10.1016/j.partic.2020.09.004
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（LiNixCoyMnzO2，LiNixCoyAlzO2，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。
图1 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。
图2 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。
通讯作者简介
陈军，南开大学教授、博士生导师、副校长，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，英国皇家化学会会士，中国化学会电化学专委会主任。陈军院士一直从事能源材料化学与高能电池的研发工作，围绕尖晶石类和有机电极材料的关键科学问题，发展了多种尖晶石类和有机材料制备的新方法和新途径。迄今在Nature Chem., Nature Rev. Chem., Nature Commun., Science Adv., Science China Chem./Mater.等期刊发表论文460余篇，他引65000余次，单篇最高他引1500次，获授权发明专利35项，多项实现转化并取得一定经济效益，编写著作16部（章）。2003年获国家杰出青年科学基金。2005年入选教育部长江学者特聘教授。2010、2017年两次任国家纳米重点研发项目负责人。获2011年度国家自然科学二等奖、2006年度和2016年度天津市自然科学一等奖、2009年通用汽车中国高校创新人才一等奖、2018年全国“五一”劳动奖章等奖励、2020年全国创新争先奖状。目前担任《无机化学前沿》《中国科学：材料》《能源化学》《Research》《高等学校化学学报》《应用化学》《电源技术》副主编，同时担任《Advanced Functional Materials》《ACS Central Science》《ACS Energy Letters》《Chemical Science》《Nano Research》《Solid State Sciences》《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》《Batteries & Supercaps》《Journal of Energy Chemistry》《化学学报》《物理化学学报》《电化学》等杂志编委。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部