浙江大学最新Nature

一、研究背景

在插入化学过程中产生的各向异性晶格应变和应力通常引起晶体结构不稳定，包括裂纹的形成。因此，零应变插入材料的发展决定了优越的电化学能力，如锂钛氧化物。然而，当使用合成和晶体化学来维持零缺陷和相纯度的理想情况时，存在机械化学降解问题。

使用最先进的富镍层状氧化物(LiNi_xCo_yMn_1−x−yO₂, x >0.5)作为锂离子电池正极材料，可以将能量和功率密度达到更高的水平。然而，在锂(脱)插层过程中产生各向异性晶格应变和应力相关的体积变化，会导致正极材料结构严重不稳定和电化学衰变，当电池在高电压(高于4.5 V)下工作时，这种情况会进一步放大，这严重影响了电池的高能释放。即使经过了大量的努力，直接减轻晶格应变持续累积的本征应变抑制方法仍然难以找到。

二、成果掠影

近日，浙江大学陆俊和吴天品教授提出了通过在层状结构中引入相干钙钛矿相作为“铆钉”，通过钉住效应显著地缓解了有害的结构演变。与传统材料相比，每一次循环的晶格应变演化显著降低了近70%，增强了形态完整性，从而显著提高了电池的循环性能。

相关成果以“Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode”为题发表在国际顶级期刊Nature上，论文第一单位为浙江大学。

三、图文导读

图1 |应变抑制策略和实现。

图2 |用operando同步XRD表征的应变缓变行为

图3 |半电池的电化学性能表征。

图4 |化学相分布及三维形态变化

四、结论展望

研究提出了通过在富镍层状结构中引入钙钛矿相的应变抑制策略。由于其结构相容性，钙钛矿相可以相干生长成层状结构。由于电化学不活跃的应变抑制相的大的相变能垒，这种相干结构稳健的基体可以维持机械化学稳定性。通过这种方法，可以极大地抑制层状氧化物中固有的晶格应变，获得持久的结构和形态稳定性，防止副反应和不可逆相变扩展到体相粒子中。因此，这种稳定的材料表现出优越的电化学性能，特别是长期循环稳定性，即使在4.6 V的非常高的截止电压下(在1C电流下，超过200个周期保持94.7%的容量保持率)。这种新的应变抑制方法拓宽了晶格工程释放锂(脱)插层产生的应变的前景，为发展具有长寿命的高能量密度阴极铺平了道路，同时也拓宽高度稳定的晶体结构应用于先进高能电池系统的前景。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05238-3

本文由张熙熙供稿。