锂离子电池作为一种清洁能源存储器件，随着其广泛应用于我们的日常生活之中，其安全问题也越来越受关注，比如最近接连发生的手机充电起火或爆炸等。三元层状材料Li(NixMnyCoz)O2 (NMC) (x + y + z = 1) 具有较高的理论容量，易合成，以及相对较低的价格，是目前应用于锂离子电池最为广泛的正极材料（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。但是其安全性能较差，当过充或受热时容易引发结构破坏或相变，从晶格释放氧气，与有机电解液接触后容易起火燃烧，严重会引发爆炸。这也成为其应用于电动汽车动力电池的一大挑战。
北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队，对锂电池三元层状NMC材料开展了系统研究，对锂的扩散机理及高低温的性能开展了系统的研究（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (26), pp 8364）， 并发现NMC622 具有最好的高低温的性能（Advanced Energy Materials 2015，DOI: 10.1002/aenm.201501309），最近他们通过第一性原理计算和实验验证，发现三元层状正极材料的稳定性与晶格结构中最不稳定的氧有关，而氧的稳定性又由其基本的配位单元决定（TM(Ni, Mn, Co)3-O-Li3-x’: 每个氧和过渡金属层中的三个过渡金属离子配位，同时和锂层中的0到3个锂离子配位）。通过此模型，我们系统地揭示了层状材料中锂的含量、过渡金属元素的含量及价态、Ni/Li反位缺陷等因素对氧稳定性的调控。这将为今后三元材料锂离子电池稳定性的优化提供了重要线索和理论指导。上述研究成果以全文形式发表于国际著名期刊《美国化学会志》 （J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 13326−13334）上。
图：理论计算和实验测量得到三元材料充电（脱锂）过程中起始脱氧温度的变化。
新材料学院特聘研究员郑家新、2014级博士研究生刘同超、硕士研究生胡宗祥为以上工作的共同第一作者，潘锋教授为通讯作者。合作单位包括美国阿贡国家实验室，西北太平洋国家实验室，深圳天骄、沃特玛等锂离子电池企业。以上工作得到了国家材料基因组重大专项、广东省创新团队、深圳市科技创新委基金 的资助。
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文章链接： http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b07771
Jiaxin Zheng†, Tongchao Liu†, Zongxiang Hu†, Yi Wei, Xiaohe Song, Y. Ren, W. Wang, M. Rao, Y. Lin, Z. Chen, J. Lu, C. Wang, K. Amine, Feng Pan*, “Tuning of Thermal Stability in Layered Li (NixMnyCoz) O2”, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13326−13334
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