在鋰離子電池技術(shù)日新月異的今天，正極材料的性能優(yōu)化成為提升電池整體性能的關(guān)鍵。清華大學深圳國際研究生院與北京工業(yè)大學的研究團隊，通過一項創(chuàng)新的微觀結(jié)構(gòu)工程策略，成功在高鎳正極材料中引入了鎢（W）元素，實現(xiàn)了材料容量與壽命的雙重飛躍，為鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展開辟了新篇章。
鎢元素圖片
高鎳層狀氧化物（NRLO）因其高理論容量和高工作電壓，在電動汽車和大規(guī)模能量存儲系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)的NRLOs材料在提高比能量方面面臨諸多挑戰(zhàn)：一是增加鎳含量雖然能提升容量，但是鎳含量過高易導致晶格不穩(wěn)定性，進而降低電池的安全性；二是提高截止電壓雖能提取更多鋰離子，卻會觸發(fā)多相變，損害材料結(jié)構(gòu)。在此背景下，研究團隊另辟蹊徑，通過引入鎢元素，實現(xiàn)了對NRLOs微觀結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控。
鎢是一種過渡金屬元素，在元素周期表中第六周期的VIB族。鎢在自然界主要呈六價陽離子，其離子半徑為0.68×10-10m。由于W6+離子半徑小，電價高，極化能力強，易形成絡(luò)陰離子，因此鎢主要以絡(luò)陰離子的形式[WO4]2-存在。
電池圖片
研究表明，鎢元素的引入顯著改變了NRLOs的微觀結(jié)構(gòu)。首先，鎢的摻雜促進了具有一致自旋結(jié)構(gòu)的尖晶石孿晶界的形成，這一結(jié)構(gòu)創(chuàng)新有效降低了鋰離子的擴散勢壘，使得鋰離子在材料中的傳輸更為順暢，從而實現(xiàn)了更深層次的相變反應(yīng)，提高了材料的容量利用率。其次，在正極材料的表面和晶界處，鎢的引入形成了致密且均勻的LiWxOy相，這層保護膜不僅有效阻止了電解液對材料的侵蝕，還顯著延長了電池的循環(huán)壽命。
實驗數(shù)據(jù)顯示，鎢元素的引入使得高鎳層狀氧化物正極材料在首次循環(huán)中的可逆容量增加了14 mAh/g，一顯著提升直接反映了材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的成效。更重要的是，通過微觀結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，該材料在保持高容量的同時，也展現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。在200個循環(huán)后，材料依然能夠保持較高的可逆容量，證明了其在實際應(yīng)用中的巨大潛力。
該研究成果已以“Unraveling Mechanism for Microstructure Engineering toward High-Capacity Nickel-Rich Cathode Materials”為題發(fā)表在wiley online library上。
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