PNSMI 封面文章
桂林电子科技大学
俞兆喆 教授团队
研究背景
随着电动汽车和储能电站的蓬勃发展，需要更高能量密度、更长循环寿命和更低价格的正极材料。增加正极材料中的镍含量可以提高其容量并降低成本。超高镍正极材料（Ni≥90%）已被确定为下一代动力电池理想正极的候选材料。然而，富镍层状正极中极高的镍含量会导致阴极电解质界面（CEI）积聚和电解质分解，从而导致电极材料在长期循环过程中化学性和结构不稳定。此外，电解质沿着晶界微裂纹渗透到次级粒子中，这增加了电极-电解质界面的副反应，加速了次级粒子的破碎。因此，超高镍层状正极的大规模应用仍然受到各种困难的阻碍。
研究方法
本文提出了一种晶面诱导策略，通过构建快速Li+扩散通道和减少次级粒子的内部晶界来提高电极的速率和循环性能。
实验结果解析
图1. 诱导NM90阴极颗粒主要晶体表面生长的平面控制生长策略如1a所示。图1b中显示NM90的球形次级粒子由大量粒径为0.2-0.5μm的初级粒子组成。引入Zr后，初级粒子尺寸显著增加，NM90-Zr由大量粒径在0.4-0.8μm范围内的初级粒子组成（图1c），此外，SEM-EDS图谱显示Zr元素在次级微球的表面和边缘均匀分布（图1d）。图1e-h显示了NM90和NM90-Zr的TEM和HRTEM以及FFT图像。
图2. 对NM90和NM90-Zr进行了XRD、Rietveld、XPS、结构模拟和表面能分析。结果表明Zr4+掺杂抑制了镍价态从高价态到低价态的转变。富镍层状阴极中Ni2+含量的降低可以减少阳离子混合，抑制NiO相的形成，改善电化学性能。
图4. 分析了NM90和NM90-Zr在第一次充放电循环中的原位电化学阻抗谱（EIS），并评估了这两个样品的锂离子扩散特性。结果表明，NM90-Zr中的电荷转移比NM90中的快。此外，具有高暴露{010}表面的NM90-Zr会产生更多的Li快速扩散通道，降低电荷转移电阻并增强电极扩散动力学。
实验总结与结论
本文通过平面控制生长策略制备了具有高暴露{010}表面的NM90-Zr电极。改性电极的可逆比容量在1C速率下达到198.3 mAh g-1，100次循环后的容量保持率为88.5%，在5C速率下150次循环后，容量保持率达到99.0%。原位EIS、XRD、SEM和XPS表征表明，高暴露{010}表面会产生Li+快速扩散通道，有效降低电荷转移电阻，改善了Li+的扩散动力学，从而提高了电极的倍率性能。
此外，Zr的诱导改性过程促进了一次颗粒的优势生长，减少了二次颗粒的晶粒界面，减轻了电极/电解质界面的副反应，从而提高了循环稳定性。因此，平面控制生长策略有利于提高高镍层状正极的电化学性能，这证明了表面诱导生长是下一代锂离子电池正极的有效改性策略。
引用此文章
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.05.005
俞兆喆团队介绍
俞兆喆博士，桂林电子科技大学校聘二级教授，博士生导师，广西杰出青年基金获得者，广西青年科技奖获得者，广西高层次人才，广西中青年骨干教师，深圳市电源技术协会标准委员会委员。主要研究方向是锂/钠电池及其关键材料。荣获全国博士后创新创业大赛总决赛银奖（国家级）和全国创新创业优秀博士后（国家级），获广西第十七届青年科技奖，获广西第三届卓越工程师称号，获中国创新创业大赛桂林赛区一等奖和广西赛区二等奖。主持国家自然科学基金项目，广西创新驱动发展专项课题和企业横向课题等10余项。获授权发明专利30余项，其中10余项已经转化。在国际期刊发表高水平论文30余篇，担任《中国化学快报》和《电子机械工程学报》青年编委。与广西新能源企业深度合作建成万吨级高端电极材料生产线，为企业新增年产值数亿元，助力广西开辟新能源材料产业新领域，打造全国重要的新能源电池材料产业基地。
俞兆喆新能源课题组博士后招聘
要求具有锂/钠离子电池及其关键材料研究背景的优秀博士生，年龄不超过35周岁(含)，提供综合年薪不低于30万元，提供安家费35万、科研启动费20万等人才待遇；进入国家事业编制；提供学校周转房租住；安排子女入学入托等。研究方向
（一）高镍三元正极材料的开发及产业化；
（二）富锂锰基高能量密度正极材料开发；
（三）钠离子电池关键正极材料开发；
（四）高能量密度硅基负极材料开发；
（五）高离子电导率固态电解质开发。
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2023年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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