目前，三元材料(Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2)在鋰電池正極材料的實(shí)際應(yīng)用和理論研究中占據(jù)重要地位，與其他正極材料，如磷酸鐵鋰，錳酸鋰等相比，三元材料具有更高的理論容量，因而備受關(guān)注。但是其循環(huán)壽命及高倍率充放性能依然阻礙該材料的更大規(guī)模應(yīng)用。在我們前期的三元材料研究中，通過碳納米管(CNTs)網(wǎng)絡(luò)去極化效應(yīng)（Nano Lett. 2014, 14, 4700-4706）,使Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 (NMC532)實(shí)現(xiàn)了250 mAh/g的實(shí)際可逆比容量（理論~280 mAh/g）,為了保持其較高比容量在長期充放電循環(huán)中的穩(wěn)定性，又創(chuàng)造性地提出了原位提前放電（預(yù)鋰化）的概念（Nano Lett. 2015, 15, 5590-5596）。然而，該碳納米管(CNTs)體系和基于該體系的極片制備方法（真空抽濾法）并不具備普遍性，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中一般均材料成本更低、更簡單的涂覆法（slurry），因此原位提前放電（預(yù)鋰化）概念是否適用于涂覆法制備的極片，除了NMC532以外，其他系列NMC材料如何響應(yīng)預(yù)鋰化過程成為我們接下來關(guān)注的要點(diǎn)。
在北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授的指導(dǎo)下，由吳忠振研究員，季順平工程師，胡宗祥研究生等人在前期研究的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合方式，系統(tǒng)地研究了采用涂覆法制備的三元系列材料（NMC811、71515、622、532、552、442、111）極片的預(yù)鋰化過程和電化學(xué)性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)鋰化過程對常規(guī)涂覆法制備的NMC極片同樣適用，相對未預(yù)鋰化的樣品，其循環(huán)性能和高倍率充放性能均有明顯提高。不同三元組分的NMC材料對預(yù)鋰化過程的響應(yīng)不同，可分為兩類：其一為只含二價(jià)鈷的NMC材料，如：NMC552、442、111通過IR分析，預(yù)鋰化過程中極片表面產(chǎn)生一層固體電解質(zhì)界面膜（SEI），該界面膜減少了第一次充電過程中活性材料表面的不可逆反應(yīng)，減少金屬M(fèi)n向電解液中溶解，從而提高了材料的循環(huán)性能，但其可逆容量并沒有明顯增高；其二為還含有三價(jià)鈷的NMC材料，如NMC811、71515、622、532，預(yù)鋰化過程使得其中的三價(jià)鈷演變?yōu)槎r(jià)鈷，同時(shí)，材料顆粒表面形成雙層Li結(jié)構(gòu)，即形成了更多的鋰存儲，不能提高了循環(huán)性能，而且還能夠進(jìn)一步提高可逆容量。該推論前期已經(jīng)通過XRD及計(jì)算得到，在該文章中首次直接通過高分辨TEM觀察到了該雙層Li的存在。該研究成果離實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用更進(jìn)一步，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，近期發(fā)表于ACS旗下的ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.6b03730）雜志上（影響因子6.723）。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金，廣東省引進(jìn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、深圳孔雀計(jì)劃及深圳創(chuàng)新委科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
Zhongzhen Wu, Shunping Ji, Zongxiang Hu, Jiaxin Zheng, Shu Xiao, Yuan Lin, Kang Xu, Khalil Amine and Feng Pan. Pre-lithiation of Li(Ni1-x-yMnxCoy)O2 Materials Enabling to Enhance Performance for Li-Ion Battery[J], ACS Applied Materials & Interfaces.
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