鋰離子電池作為一種清潔能源存儲(chǔ)器件，已在我們的日常生活中發(fā)揮著重要作用，比如電子器件、電動(dòng)汽車和國(guó)防軍事等。三元材料是目前鋰離子電池廣泛應(yīng)用的正極材料(如大多數(shù)手機(jī)和特斯拉電動(dòng)汽車所采用的正極材料)，也是新材料學(xué)院協(xié)同深圳企業(yè)正在開(kāi)展的國(guó)家電動(dòng)汽車動(dòng)力電池重大創(chuàng)新工程的關(guān)鍵正極材料。隨著目前動(dòng)力電池的需求越來(lái)越高，對(duì)鋰離子電池的功率密度提出了更高的要求。這就要求電池正極材料具有快速充放電的性能。影響鋰電池充放電速度最重要的因素是正極材料自身的鋰離子輸運(yùn)機(jī)理(擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散系數(shù))。但是目前對(duì)于三元材料的鋰離子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及調(diào)控仍然缺乏深入而系統(tǒng)的研究，如何進(jìn)一步優(yōu)化三元材料的組分提高鋰離子擴(kuò)散系數(shù)(兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和成本)是該領(lǐng)域仍未解決的一個(gè)重要問(wèn)題。
新材料學(xué)院博士后鄭家新及12、13級(jí)碩士研究生韋屹、崔歲寒在潘鋒教授的指導(dǎo)和帶領(lǐng)下，在學(xué)院其他同學(xué)和老師的積極幫助和支持下，開(kāi)展交叉學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，首次系統(tǒng)和完備地揭示了三元層狀正極材料的鋰離子是如何脫出的輸運(yùn)機(jī)理。采用量子化學(xué)的第一性原理的理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)三元層狀正極材料中，存在兩種類型的鋰離子擴(kuò)散通道ODH和TSH，在充電的初始階段以O(shè)DH為主，隨后以TSH為主。對(duì)于兩類通道，Ni2+和Ni3+附近的鋰離子擴(kuò)散能壘最低，形成優(yōu)勢(shì)通道。同時(shí)Mn和Co等過(guò)渡金屬元素會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)、缺陷和鋰層的層間距起到調(diào)制作用，從而間接影響鋰離子的擴(kuò)散。同時(shí)他們還采用電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量一系列三元層狀正極材料的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了他們所提出的機(jī)理和模型。這將為今后三元材料鋰離子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，及制備高性能的鋰電池材料提供重要線索和理論指導(dǎo)。上述研究成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Journal of the American Chemical Society，DOI:10.1021/jacs.5b04040)上。
三元層狀正極材料中存在的兩種類型鋰離子擴(kuò)散通道ODH和TSH示意圖
采用電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量一系列三元層狀正極材料的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)
新材料學(xué)院鄭家新博士、碩士研究生韋屹和崔歲寒為以上工作的共同第一作者。深圳參與國(guó)家動(dòng)力電池汽車重大工程的企業(yè)(沃特瑪電池、天驕電池材料企業(yè))、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Amine博士、美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Wong Chongmin博士參與了本研究工作。
本研究成功的開(kāi)展得益于產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同創(chuàng)新及國(guó)際化科研合作。以上工作得到了國(guó)家動(dòng)力電池汽車重大專項(xiàng)、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市科技創(chuàng)新委基金(基金編號(hào)： ZDSY20130331145131323, CXZZ20120829172325895, JCYJ20120614150338154)資助，以及深圳市國(guó)家超算中心的支持。
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