內容簡述：

近日，《化學工程雜志》(Chem Eng J)發表了beat365肖圍教授課題組的最新研究成果，報道了Nb⁵⁺摻雜與Li₃PO₄人工界面層的協同改性策略增強結構、穩定界面并促進離子遷移以獲得性能優異的高鎳正極材料的新策略。該研究不僅系統地探究了Nb⁵⁺摻雜與H₃PO₄處理對正極材料的表面形貌、內部結構以及電化學性能的影響，而且深入地揭示了協同改性策略的作用機理。

論文題目為“Nb⁵⁺ ions doping and Li₃PO₄ artificial layer synergetic strategy to strengthen structure, stabilize interface, and promote ions migration for high-performance Ni-rich cathode”，博士研究生劉程錦為論文的第一作者，肖圍教授為論文的通訊作者。

LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂（NCM, 0.6≤x≤1）高鎳正極材料不穩定的結構及正極/電解質界面嚴重阻礙了其商業化應用。具體而言，Ni²⁺和Li⁺相近的離子半徑容易導致鋰鎳混排，引起結構不穩定并阻礙Li⁺擴散。且Ni²⁺/Ni³⁺在充電過程中容易被氧化為化學不穩定的Ni⁴⁺，其傾向于從毗鄰的O^2-中奪取電子，以轉化為更穩定的Ni²⁺，這一過程通常伴隨著NiO巖鹽相的形成，從而限制Li⁺遷移。更重要的是，循環過程中發生的相轉變會引起各向異性的應力應變，從而導致微裂紋的形成甚至是二次顆粒的破碎，進一步加劇正極與電解質之間的界面副反應。當然，合成和儲存過程中所產生的Li₂O、LiOH和Li₂CO₃副產物也不容忽視，它們會促使電解質分解、惡化循環性能并增加安全隱患。因此，為了克服上述固有缺陷并優化電化學性能，設計一種可同時增強晶體結構、穩定正極/電解質界面并減少表面殘鋰的有效改性策略具有重要意義。

基于此，肖圍教授課題組提出一種Nb⁵⁺摻雜與Li₃PO₄包覆的協同改性策略。以Nb₂O₅為Nb源，制得Li(Ni_0.83Co_0.11Mn_0.06)_0.99Nb_0.01O₂（NCM83-N）正極粉末后，通過溶膠凝膠法，用H₃PO₄溶液處理NCM83-N粉末，以得到Li₃PO₄包覆的NCM83-N（NCM83-NP）正極粉末。由NCM83-NP電極組裝的電池展示出優異的循環穩定性和倍率性能，在1.0 C下能提供173.5 mAh g^-1的初始放電比容量，循環200次后仍可保持88.8%的容量，即使在5.0 C下也能具有156.2 mAh g^-1的高放電比容量，當電流密度恢復到0.1 C時，放電比容量依舊能恢復至190.6 mAh g^-1。循環性能的提升主要是因為Nb⁵⁺的引入能形成強的Nb-O鍵以強化晶格框架，H₃PO₄處理能將材料表面的殘余鋰鹽轉化為有益的Li₃PO₄離子導體層以提升正極/電解質界面穩定性，從而抑制微裂紋的形成、過渡金屬離子的溶出以及氧損失。倍率性能的提升則可以歸因于拓寬的離子遷移通道、更緊密的顆粒堆積以及界面處快速Li⁺的擴散通道的構建。因此，該協同改性策略為高性能鋰電池正極材料的設計提供了新思路。

該研究工作得到了國家自然科學基金項目(No. 52274292)、湖北省杰出青年基金項目(No. 2020CFA090)、荊州市科研項目(No. 2023EC37)、湖北省青年拔尖人才培養計劃資助項目的支持。

圖文摘要

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158633