目前，電動(dòng)汽車(chē)面臨續(xù)航里程短和安全性不足等問(wèn)題，制約了其大規(guī)模推廣。如果電動(dòng)汽車(chē)擁有與燃油車(chē)相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程，消費(fèi)者駕駛電動(dòng)汽車(chē)時(shí)將不再有里程焦慮，有利于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模推廣。

據(jù)寧波材料技術(shù)與工程研究所消息，在目前已知的正極材料中，富鋰錳基正極材料放電比容量高達(dá) 300mAh / g，是當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料放電比容量的兩倍左右。因此，富鋰錳基正極材料被認(rèn)為是新一代高能量密度動(dòng)力鋰電池的理想之選，更是動(dòng)力鋰電池能量密度突破 400Wh/kg的技術(shù)關(guān)鍵。

近十年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室研究員劉兆平團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于富鋰錳基正極材料的研究開(kāi)發(fā)，圍繞降低富鋰錳基正極材料的首次不可逆容量、循環(huán)過(guò)程中電壓衰減和氧析出等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了研究并取得系列研究結(jié)果。

近期，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)富鋰錳基正極材料中鎳鈷元素與氧活性關(guān)系以及富鋰錳基正極材料的改性?xún)?yōu)化開(kāi)展了深入研究，取得了系列進(jìn)展。首先，他們與美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校研究人員合作，利用上海光源和東莞散裂中子源等大科學(xué)裝置，圍繞富鋰錳基正極材料中鎳鈷元素與氧活性問(wèn)題開(kāi)展了研究（圖 1），該研究成果近日在線發(fā)表在 Materials Today 上。

▲ 圖 1

與此同時(shí)，針對(duì)富鋰錳基正極材料的氧活性利用與其能量效率的相互矛盾問(wèn)題（圖 2），研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員合作開(kāi)展了深入研究，利用原位 X 射線衍射譜和原位 X 射線吸收譜，揭示了晶格氧氧化還原動(dòng)力學(xué)與過(guò)渡金屬遷移重排速率的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)通過(guò)微調(diào)化學(xué)組成適度減少 Li 含量并增加 Ni 含量，可以有效限制 Li2MnO3 相疇的擴(kuò)大，并誘發(fā)電化學(xué)過(guò)程中可逆 Ni 混排，使 Ni 離子阻斷 Mn 離子的擴(kuò)散遷移路徑，從而一定程度緩解電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中離子遷移遲滯的現(xiàn)象。這一研究結(jié)果為設(shè)計(jì)高能效和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的富鋰錳基正極材料提供了新思路。該研究成果發(fā)表在 Energy Storage Materials 上。

▲ 圖 2

此外，研究團(tuán)隊(duì)綜合采用表面摻雜、氣固界面改性、表面包覆等表面改性手段，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合表面結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑（圖 3），制備出一種高比容量和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的富鋰錳基正極材料。研究團(tuán)隊(duì)采用該富鋰錳基正極材料和石墨烯復(fù)合硅碳負(fù)極材料，設(shè)計(jì)研制了能量密度達(dá) 345Wh/kg的新型電池（容量 20Ah），并表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究成果發(fā)表在 Journal of Materials Chemistry A 上。