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学院师生在锂电池材料输运机理方面取得重要突破
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      北大新材料学院师生在锂电池材料输送机理方面取得重要突破的新闻登在北京大学主页(http://pkunews.pku.edu.cn/xxfz/2015-07/07/content_289578.htm)。
      锂离子电池作为一种清洁能源存储器件,已在我们的日常生活中发挥着重要作用,比如电子器件、电动汽车和国防军事等。三元材料是目前锂离子电池广泛应用的正极材料(如大多数手机和特斯拉电动汽车所采用的正极材料),也是北京大学深圳研究生院新材料学院协同深圳企业正在开展的国家电动汽车动力电池重大创新工程的关键正极材料。锂离子电池领域研究了几十年,研究最为广泛的一类材料。随着目前动力电池的需求越来越高,对锂离子电池的功率密度提出了更高的要求。这就要求电池正极材料具有快速充放电的性能。影响锂电池充放电速度最重要的因素是正极材料自身的锂离子输运机理(扩散路径和扩散系数)。但是目前对于三元材料的锂离子动力学性质及调控仍然缺乏深入而系统研究,如何进一步优化三元材料的组分提高锂离子扩散系数(兼顾结构稳定性和成本)是该领域仍未解决的一个重要问题。
      北京大学深圳研究生院新材料学院博士后郑家新及12,13级硕士研究生韦屹和崔岁寒在潘锋教授的指导和带领下,在学院其他同学和老师的积极帮助和支持下,开展交叉学科协同创新,通过理论计算和实验测量,首次系统和完备地揭示了三元层状正极材料的锂离子是如何脱出的输运机理。采用量子化学的第一性原理的理论计算发现三元层状正极材料中,存在两种类型的锂离子扩散通道ODH和TSH,在充电的初始阶段以ODH为住,随后以TSH为主。对于两类通道,Ni2+和Ni3+附近的锂离子扩散能垒最低,形成优势通道。同时Mn和Co等过渡金属元素会对结构、缺陷和锂层的层间距起到调制作用,从而间接影响锂离子的扩散。同时他们还采用电化学的实验测量一系列三元层状正极材料的锂离子扩散系数,进一步验证了他们所提出的机理和模型。这将为今后三元材料锂离子动力学性质的优化和设计,及制备高性能的锂电池材料提供了重要线索和理论指导。上述研究成果发表于国际著名期刊《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society,DOI:10.1021/jacs.5b04040)上。

Fig.1 A global view of kinetics tuning of Li-diffusion in a delithiation process. I, II, and III refer to the different stage in charge process (delithiation). ODH: oxygen dumbbell hoping; TSH: tetrahedral site hoping; Ds: diffusion coefficient of Li; M n+: transition metal (Ni,Mn,Co) cation; Ea: activation energy (for Ni2+EaODH= 750 eV and EaTSH = 350 eV); c%: concentration of transition metal cation (cNi(2+), cNi(3+), cNi(4+),cMn(4+), and cCo(3+)); dl: Li slab space; Eeff: effective diffusion barrier as an index of NMC material’s kinetic performance. Background colors (orange and green) illustrate the dominate area of TSH and ODH, respectively. Two dash lines in stage III indicate that Ds is affected by the competition of two mechanisms, resulting in the actual Ds between them.

Fig. 2 Calculated and experimental measured diffusion coefficient (Ds) of different NMC materials with nickel content in ascending order from left to right. Ds in both SOC=1/2 and 1/3 are presented here with red and black points. Experimental data points are shown with blue rectangle on the right Y-axis with SOC=1/3.

       新材料学院郑家新博士、硕士研究生韦屹和崔岁寒为以上工作的共同第一作者。深圳参与国家动力电池汽车重大工程的企业(沃特玛电池、天骄电池材料企业)、美国阿贡国家实验室Amine博士、美国西北太平洋国家实验室的Wong Chongmin博士参与了本研究工作。
      本研究成功的开展得益于产学研的协同创新及国际化科研合作。以上工作得到了国家动力电池汽车重大专项、广东省创新团队、深圳市科技创新委基金(No. ZDSY20130331145131323,  CXZZ20120829172325895, JCYJ20120614150338154)资助,以及深圳市国家超算中心的支持。


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文章链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5b04040