高镍层状氧化物作为锂电正极材料的有序度调控

锂离子电池作为现代便携式电子设备和电动汽车的主要电源，是当前高科技社会不可或缺的一部分。因此，要求锂离子电池具有高能量和功率密度、优异的循环性能、良好的环境效应、低成本、安全稳定。

随着高性能硅碳复合阳极材料的快速发展，阴极材料已成为制约下一代锂离子电池发展的关键因素。层状富锂和富镍过渡金属氧化物具有较高的储锂能力和工作潜力，是锂离子电池正极材料研究的两大热点材料。

富锂层状阴极材料在循环过程中工作电位持续下降的技术问题迄今尚未得到妥善解决。因此，高镍层状氧化物有望成为高能锂离子电池的理想正极材料。然而，高镍层状阴极材料（LiNi1-xMxO2；

M=钴、锰…）在制备过程中会发生Ni3+还原为Ni2+离子以及随后Ni2+在锂离子层中的占据，这将导致Ni2+/Li+阳离子在最终产物结构中混合，并形成表面熔岩杂质，这将严重影响高镍层状阴极材料的电化学性能。

针对上述问题，布鲁克海文国家实验室可持续能源技术系王峰研究员、同步加速器光源白建明研究员、东吴大学物理光电与能源系能源学院高立军教授课题组成员赵建清副教授，利用原位X射线衍射、同步辐射X射线衍射和高分辨率扫描透射电子显微镜、中子衍射等先进技术，研究了高镍层状氧化物制备过程中相变和阳离子混合的具体原因以及影响其层状结构有序性的相关因素。

通过钴的掺杂和煅烧工艺（煅烧温度、煅烧气氛和保温时间）的优化，大大减少了高镍层状氧化物热处理过程中Li元素的损失和结构表面NiO型熔岩相的形成，获得了具有高结构有序性的LiNi0.8Co0.2O2，Ni2+/Li+阳离子的混合放电率小于2%。

优化后的高镍层状阴极材料在宽工作电位（2.7-4.6V）下的比容量可达到220mAh/g以上，循环稳定性显著提高。同时，XRD和NDP数据细化的结果表明，NiO前驱体通过锂化直接形成贫锂的层状中间相，不存在广泛报道的尖晶石状中间相。

在最佳煅烧温度下，贫锂层状中间相的锂化和锂氧损失之间存在竞争关系，这是高镍层状氧化物结构表面出现熔岩杂质的主要原因。通过优化热处理条件和必要的钴掺杂，可以改善高镍层状阴极材料的结构有序性和电化学性能。锂离子电池作为现代便携式电子设备和电动汽车的主要电源，是当前高科技社会不可或缺的一部分。因此，要求锂离子电池具有高能量和功率密度、优异的循环性能、良好的环境效应、低成本、安全稳定。

随着高性能硅碳复合阳极材料的快速发展，阴极材料已成为制约下一代锂离子电池发展的关键因素。层状富锂和富镍过渡金属氧化物具有较高的储锂能力和工作潜力，是锂离子电池正极材料研究的两大热点材料。

富锂层状阴极材料在循环过程中工作电位持续下降的技术问题迄今尚未得到妥善解决。因此，高镍层状氧化物有望成为高能锂离子电池的理想正极材料。然而，高镍层状阴极材料（LiNi1-xMxO2；

M=钴、锰…）在制备过程中会发生Ni3+还原为Ni2+离子以及随后Ni2+在锂离子层中的占据，这将导致Ni2+/Li+阳离子在最终产物结构中混合，并形成表面熔岩杂质，这将严重影响高镍层状阴极材料的电化学性能。

针对上述问题，布鲁克海文国家实验室可持续能源技术系王峰研究员、同步加速器光源白建明研究员、东吴大学物理光电与能源系能源学院高立军教授课题组成员赵建清副教授，利用原位X射线衍射、同步辐射X射线衍射和高分辨率扫描透射电子显微镜、中子衍射等先进技术，研究了高镍层状氧化物制备过程中相变和阳离子混合的具体原因以及影响其层状结构有序性的相关因素。

通过钴的掺杂和煅烧工艺（煅烧温度、煅烧气氛和保温时间）的优化，大大减少了高镍层状氧化物热处理过程中Li元素的损失和结构表面NiO型熔岩相的形成，获得了具有高结构有序性的LiNi0.8Co0.2O2，Ni2+/Li+阳离子的混合放电率小于2%。

优化后的高镍层状阴极材料在宽工作电位（2.7-4.6V）下的比容量可达到220mAh/g以上，循环稳定性显著提高。同时，XRD和NDP数据细化的结果表明，NiO前驱体通过锂化直接形成贫锂的层状中间相，不存在广泛报道的尖晶石状中间相。

在最佳煅烧温度下，贫锂层状中间相的锂化和锂氧损失之间存在竞争关系，这是高镍层状氧化物结构表面出现熔岩杂质的主要原因。通过优化热处理条件和必要的钴掺杂，可以改善高镍层状阴极材料的结构有序性和电化学性能。

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