近日，合肥综合性国家科学中心能源研究院智慧电力中心在锂离子电池超高镍正极材料研究方面取得了显著进展。中心提出了一种简单而有效的方法，即采用镁/钽双位点掺杂的策略改性超高镍层状氧化物（LiNi0.9Co0.1O2），从晶体结构框架、界面调控和微结构设计的角度协同提升超高镍正极材料的电化学性能和热稳定性。相关研究成果以“Mg/Ta dual-site doping of high-nickel layered cathode material LiNi0.9Co0.1O2 for extended cycling and thermal stability”为题发表在国际化学工程领域知名期刊《Chemical Engineering Journal》上。

由于超高镍层状氧化物具有高比容量和低成本的特点，因此作为锂离子电池的正极材料具有广阔的应用前景。然而，随着镍含量的增加，锂镍反位缺陷引起的结构不稳定、界面副反应和内应力将导致其机械-化学特性失效，从而造成超高镍正极材料的容量快速衰减和热稳定性差等一系列问题，制约了该类材料在锂离子电池中的规模化应用。目前，通过实验合成少量镁/钽占据锂层/过渡金属层型的超高镍正极材料，不仅在内部起到支柱作用阻止锂镍反位交换，同时又形成界面保护和径向纹理的微观结构，缓解正极材料在运行过程中发生的有害副反应、机械应力积累以及晶间裂纹，从而综合提高正极材料的结构稳定性。

经过组装电池进行测试，所制备的超高镍正极材料在0.5 C/0.5 C下放电比容量提高到211.2 mAh/g，热稳定性提高到225.6 ℃；并且在全电池系统中1 C/1 C下循环300次循环保持率提高到90.5%。基于以上结果，本工作成功合成具有良好热稳定性和电化学性能的超高镍正极材料，为设计低成本、高热稳定性和高能量密度的正极材料开辟了新的途径，将进一步推动未来高安全性、长寿命锂离子电池的发展。

该论文作者为智慧电力中心研究人员李阿飞（第一作者）、唐伟建副研究员、苏建徽教授等，通讯作者为陈章贤副研究员、张卫新教授。本研究得到合肥综合性国家科学中心能源研究院重大培育专项、国家自然科学基金、安徽省发展和改革委员会、安徽省科技厅基金、安徽省自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150644

图一：镁/钽共掺杂超高镍正极材料的机理示意图

图二：超高镍正极材料的电化学性能测试以及全电池在充电过程中温度分布的有限元模拟