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胡望宇教授團隊在鋰離子電池三元正極材料過渡金屬遷移機制方面取得重要進展

發布者:發布時間:2021-09-28瀏覽量:


近日,我院胡望宇教授團隊與北京工業大學閆鵬飛教授團隊合作,在材料領域著名期刊Nano Letters(IF=11.189)上發表了題為“Unravel TMs Migration Mechanisms in LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 by Modeling and Experimental Studies ”的研究論文。

三元層狀過渡金屬氧化物LiNiyMnzCo1-y-zO2 (NMC)因其低成本和高安全性,成為廣受關注的新一代鋰離子電池正極材料。在充放電循環過程中,過渡金屬原子(TM)的遷移和氧空位的形成,會導致NMC材料結構變化,進而影響其電化學性能。

本文應用第一性原理計算和先進材料表征技術,對LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 (NMC333)正極材料中體相和表面區域TM原子擴散機制展開研究,并討論了TM擴散對電池倍率性能的影響。理論計算結果表明,在NMC333正極材料的內部,TM/Li交換是TM遷移的主要機制;而對于存在O空位的表面區域,TM容易與Li層中的空位發生交換,導致TM偏析。TM偏析可引發局域相變,阻擋Li離子的擴散通道,降低其擴散速率。本工作從熱力學與動力學兩個角度評估了三種過渡金屬原子的擴散能力,指出Ni原子的偏析是NMC333材料結構變化的主要因素,并用原子級高分辨成像技術驗證了理論計算結果。

湖南大學材料科學與工程學院為本工作第一完成單位,第一作者是博士生萬惠,胡望宇教授、高飛教授和北京工業大學閆鵬飛教授為共同通訊作者。該項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目和北京市科技創新中心的資助。論文鏈接如下:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01985

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