自從可充電鋰離子電池在20世紀(jì)90年代首次商業(yè)化后，人們一直致力于開發(fā)高能量密度鋰離子電池。高鎳的鎳鈷錳（NMC，鎳含量>60％）層狀氧化物，由于低成本和高容量，被認(rèn)為是下一代鋰離子電池最有前景的一類陰極材料。然而，鎳含量的增加也帶來許多問題，例如難以合成高度有序的材料、差的儲存性能和較差的循環(huán)穩(wěn)定性。這些問題極大地阻礙了高鎳NMC陰極的實際應(yīng)用。解決這些問題，首先需要揭示和理解這些問題背后的機(jī)制。

根據(jù)先前的報道，合成、儲存和循環(huán)過程中的各種有害現(xiàn)象被認(rèn)為與層狀氧化物晶格的Li/O損失有關(guān)。但由于對輕元素定量表征技術(shù)的缺乏等原因，關(guān)于Li/O損失如何發(fā)生以及Li/O損失的多少可以誘導(dǎo)相變的定量研究是非常少的。

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組結(jié)合多種宏觀/微觀表征技術(shù)，包括原位透射電子顯微鏡（TEM）、非原位X射線衍射（XRD）和X射線光電子能譜（XPS），在代表性的二元高鎳層狀氧化物L(fēng)iNi0.9Co0.1O2中全面研究熱誘導(dǎo)的局域結(jié)構(gòu)演化與Li/O之間的關(guān)系。他們基于[Li1-xNix]3b[Ni0.9-xCo0.1]3aO2-x的Li/O損失模型，從體相內(nèi)和表面定量地研究了在相變過程中Li/O損失的動力學(xué)。大約20％的Li/O損失發(fā)生在300-700℃的溫度范圍內(nèi)，這導(dǎo)致Li/O缺乏的中間體具有嚴(yán)重的Li/Ni混排。它在高溫下層狀相不穩(wěn)定并快速轉(zhuǎn)變?yōu)閹r鹽相Li1-xNixO(x約為80%)，并伴隨嚴(yán)重的Li/O損失。詳細(xì)的原位TEM觀察實驗包括從室溫到1000℃加熱樣品，在TEM下原位地以每秒25張采集動態(tài)實時的結(jié)構(gòu)動態(tài)變化圖像，課題組發(fā)現(xiàn)單個初級粒子內(nèi)的局部結(jié)構(gòu)演化是由表面Li/O損失引起的，由于濃差擴(kuò)散使得層狀材料鋰層中Li+高的快速擴(kuò)散到界面，導(dǎo)致鋰層有不斷增加的鋰空位，在升溫過程到900℃時，TEM原位觀察到了在一秒鐘之內(nèi)發(fā)生熱誘導(dǎo)的層狀到巖鹽相的結(jié)構(gòu)演化。本文的定量分析和直接觀測不僅為Li/O損失行為研究提供了一條可行路徑，而且從Li/O損失的角度為提高熱穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性提供了有價值的思路。

這項研究成果近期發(fā)表于國際納米與能源知名雜志NanoEnergy，題為“InsightsintothestructuralevolutionandLi/Olossinhigh-Nilayeredoxidecathodes”（NanoEnergy，59（2019）,p327，影響因子為13.12）。該工作由潘鋒和北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院助理研究員張明建博士指導(dǎo)，2016級研究生孔德飛完成。本工作得到國家材料基因工程重點研發(fā)計劃和廣東省重點實驗室的資金支持。