麻省理工李巨最新Nature Energy: 首创解聚新工艺

一、【导读】

  近年来，电动汽车和其他应用对储能的需求不断增长。与此同时，具有更高能量密度、更长循环寿命和更高安全性的先进锂离子电池（LIBs）的开发也迫在眉睫。对于LIB正极，最先进的富镍层状氧化物和新兴的富锂/锰层状氧化物均是由初级颗粒（晶粒尺寸约100 至200 nm）和组装的次级颗粒（直径约10 μm）组成的多晶形态。不幸的是，多晶形态正极在电极老化和电池循环过程中容易发生开裂，产生大量未经保护的电化学活性表面，加剧了正极材料与电解液之间的副反应，从而导致全电池电化学性能的衰减。为了解决这一问题，研究人员提出单晶化的正极（无晶界的微米晶粒尺寸的独立颗粒）策略，并引起了人们的广泛关注。

  目前，制备高性能富镍单晶正极的工艺包括多步高温煅烧，使用过量锂盐和熔盐助焊剂法（例如，NaCl，KCl和Li₂SO₄），然后进行额外的洗涤或煅烧。尽管如此，煅烧后还需要额外的处理步骤，正极颗粒的团聚仍然是一个需要解决的主要问题。因此，迫切需要开发一种适用于富镍和富锂/锰正极的具有成本效益的通用制备方法。

二、【成果掠影】

  近日，麻省理工学院李巨教授和韩国蔚山国家科学技术研究院Jaephil Cho教授等人开发了一种机械化学活化新工艺，为化学合成富锂/锰或富镍单晶正极的难题提供了通用解决策略，这与难以扩大规模的设备和能量密集和长时间的机械化学路线具有显著的区别。相关的研究成果以“Eutectic salt-assisted planetary centrifugal deagglomeration for single-crystalline cathode synthesis”为题发表在Nature Energy上。

三、【核心创新点】

  1、作者报告了一种全新的行星式离心解聚技术，该技术可以从自制或市售的共沉淀前体中大规模生产具有优异电化学性能和稳定性的微米级富锂/锰和富镍组合物的单晶正极。

  2、解聚良好的纳米氧化物在煅烧阶段很容易与周围的锂盐发生反应，粗化成微米级的独立单晶粉末。通过消除电极老化和电池循环过程中的晶间开裂从而提高的电化学性能。

图1 用于单晶正极合成的行星离心解聚技术。©2023 The Author(s)

图2  行星离心混合过程中熔融锂盐的二次粒子解聚。©2023 The Author(s)

图3 纳米级机械化学反应润湿。©2023 The Author(s)

图4微型单晶LMR的结构特征。©2023 The Author(s)

图5  SC-LMR 优于 PC-LMR 的电化学性能。©2023 The Author(s)

图6单晶富镍层状正极循环前后结构演变过程。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

  综上所述。作者提出通过行星式离心进行简单机械活化，能够使共晶锂盐与过渡金属氧化物前驱体之间发生显著的反应浸润。从而形成 “机械-纳米悬浮液”。充分解聚的过渡金属氧化物在烧结阶段更容易与周围的锂盐发生反应，并长大为微米大小的单晶颗粒。富锂锰基正极和高镍三元正极的单晶化提供了优异的电化学性能，也能够显著地提升循环性能、延缓电压衰减、抑制析氧和过渡金属溶解。该方法简单、可宏量制备，能够在相对温和且可控的条件下进行，具有很好的工业化前景。并且这种在相对温和、易于获取和定量良好的条件下进行的类似机械化学处理法能够为许多其他应用提供更多的新颖路径。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01233-8

本文由K . L撰稿。