单晶富镍阴极中可逆的平面滑动和微裂纹

　　Pub Date:

　　2020-12-11

　　, DOI:

　　10.1126/science.abc3167

　　单位：

　　西北太平洋国家实验室

　　作者：

　　Yujing Bi, Jinhui Tao, Yuqin Wu, Linze Li, Yaobin Xu, Enyuan Hu, Bingbin Wu, Jiangtao Hu, Chongmin Wang, Ji-Guang Zhang, Yue Qi, Jie Xiao

　　文章链接：

　　Reversible planar gliding and microcracking in a single-crystalline Ni-rich cathode. Science 370 (6522), 1313-1317. https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313/tab-pdf

　　关键词：

　　富镍阴极

　　微裂纹

　　导读

　　高镍正极材料将在先进锂离子电池中发挥关键作用，但它存在着水分敏感性、副反应和气体生成等问题。形成球形二次多晶NMC颗粒降低了表面/体积比，但通常在循环后观察到沿脆弱的内部晶界的粉碎。这些裂纹是由循环过程中初级粒子体积的不均匀变化引起的，多晶复合材料中单个颗粒和晶粒之间的各向异性加剧了这一现象。晶间裂纹使新的表面暴露在电解液中发生副反应，加速了电池衰减。通过减少相边界和材料表面积，单晶富镍正极有很大的潜力来解决其多晶正极所面临的挑战。然而，尽管在单晶富镍正极中存在着过电位、微观结构和电化学行为之间的基本联系，但合成高性能的单晶富镍正极仍具有很大的挑战性。由于富镍阴极在高温下的结构不稳定性，高镍含量的阴极需要较低的合成温度，而不是需要高温和耗时的煅烧过程来生长单晶。

　　本研究以高性能单晶LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2 (NMC76)为模型材料，研究电位如何触发单晶从原子到微米的结构变化及其对阴极电化学性能的影响。采用原位原子力显微镜(AFM)和理论模型来理解单晶的电化学力学耦合行为。作者观察到单晶富镍阴极沿(003)平面的可逆平面滑动和微裂纹。微观结构缺陷的可逆形成与晶格中Li离子浓度梯度引起的局部应力有关，为利用合成修饰来减轻粒子断裂提供了线索。本研究结果提供了一些稳定单晶富镍NMC的策略，可以通过减小晶体尺寸到3.5微米以下，通过改变结构对称性吸收积累的应变能，或者简单地优化电荷深度而不牺牲太多的可逆容量。