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第一作者：Panpan Xu，Xingyu Guo
通讯作者：Shyue Ping Ong，Zheng Chen
通讯单位：加州大学
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53731-2
摘要
本研究聚焦于锂离子电池正极材料LiNixCoyMn1-x-yO2（NCM）在潮湿环境中的稳定性问题。NCM材料对水分敏感，影响了其制造、储存、运输、电极处理和回收过程。研究通过先进的表征技术和计算研究，阐明了质子与NCM中Li+的交换行为，导致Li+的浸出和质子化NCM的形成。研究发现，质子化促进了阳离子重排和NCM中杂质相的形成，显著恶化了结构稳定性。通过热力学和动力学的综合研究，揭示了NCM材料中Li缺陷可以通过含Li+离子的溶液过程中控制质子浓度来解决。本工作为控制锂离子电池正极材料的结构和组成缺陷提供了重要见解。
研究成果
近日，Shyue Ping Ong/Zheng Chen在《Nature Communications》上发表了题为“Proton-exchange induced reactivity in layered oxides for lithium-ion batteries”的论文，研究团队发现，在富含H+且缺乏Li+的环境中，NCM粒子中Li+与H+的交换现象容易发生，尤其是NCM材料中Ni含量较高时更为明显。通过使用富含Li+的溶液，可以促进锂化反应，恢复NCM材料中的Li缺陷，同时发生水氧化。研究还通过材料表征和动力学建模进一步探索了重锂化机制。
论文亮点
1.揭示了NCM材料中质子与Li+交换的机制，以及由此引起的结构和组成缺陷。
2.发现通过控制溶液中的H+和Li+浓度，可以有效控制NCM材料的结构稳定性。
3.通过实验和理论计算，提出了一种新的直接回收Li缺陷NCM材料的方法，即通过含LiOH的溶液处理。
4.研究结果为高能量正极材料的制造、运输、储存和回收过程中的质量控制提供了理论基础。
图文导读
图2：通过DFT计算得到的NCM材料中Li+和H+的形成能，以及随LiOH浓度变化的Gibbs自由能变化。
图3：XRD图谱显示了纯水和4M LiOH溶液处理后的NCM材料的晶体结构变化。
图4：HAADF-STEM和EELS谱图揭示了质子处理对NCM材料表面结构的影响。
图5：展示了质子化对NCM材料Li+扩散动力学的影响。
结论
本研究通过实验和理论计算，系统地研究了NCM材料在不同水溶液条件下的质子化行为及其对结构稳定性和电化学性能的影响。研究结果表明，通过控制溶液中的H+和Li+浓度，可以有效恢复NCM材料的结构稳定性和电化学性能，为锂离子电池正极材料的回收和再利用提供了新的思路。
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