鋰離子電池作為一種清潔能源儲能器件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。隨著能源與環(huán)境的壓力日益增大，人們對鋰離子電池的要求越來越高，尤其是高功率密度的動力電池，作為應(yīng)用最廣的一種鋰離子電池正極材料，鎳鈷錳三元鋰離子氧化物材料(NMC)以其擴(kuò)散性能好，環(huán)境友好性高，儲能密度高等優(yōu)點(diǎn)，一直備受人們的關(guān)注。特斯拉電動汽車的動力電池使用的動力電池材料就類似這種材料。電動汽車會在高溫的盛夏及寒冷的嚴(yán)冬，所以所使用的電池材料需要好的高低溫性能，這就需要我們從機(jī)理上去研究揭示材料內(nèi)部鋰離子的輸運(yùn)機(jī)理及相關(guān)的溫度效應(yīng)，從而提高電池在不同使用溫度下的充放電倍率性能。但是，目前對于用于動力電池的NMC三元材料的溫度效應(yīng)的擴(kuò)散動力學(xué)的研究還不夠深入和系統(tǒng)，尤其是溫度、層狀材料的層間距等因素影響擴(kuò)散系數(shù)方面缺乏深入研究，因此什么樣配比的NMC三元材料具有最好的高低溫性能尚未被發(fā)現(xiàn)。
圖1. 通過對各個(gè)溫度下不同組分的三元材料的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的測量，我們發(fā)現(xiàn)三元材料622具有最大擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)受到的溫度影響最小。第一性原理計(jì)算和測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明622具有最大的鋰層間距能更有利于其內(nèi)部鋰離子的擴(kuò)散，并且可以減小其受到的溫度影響。這對于整個(gè)三元層狀材料體系是一個(gè)普適性的規(guī)律。
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在前期NMC三元材料研究工作中（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (26), pp 8364–8367），系統(tǒng)地研究了充放電脫鋰狀態(tài)以及過渡金屬元素成分比例對鋰離子擴(kuò)散的影響，最近他們在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了NMC三元材料的高低溫?cái)U(kuò)散動力學(xué)及在尋找具有最佳高低溫性能的三元材料方面取得重要突破。他們通過電化學(xué)GITT擴(kuò)散系數(shù)測量系統(tǒng)地研究了一系列三元材料鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的溫度效應(yīng)，首次發(fā)現(xiàn)其中一種NMC三元（LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 稱為NMC622）材料具有最大的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)具有很小的溫度效應(yīng)，即能夠在極低和極高溫度下很好的工作，從而所做成的電動車動力電池能夠克服氣候環(huán)境的制約。他們進(jìn)一步采用結(jié)構(gòu)測量和第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)了為什么NMC622具有最好的高低溫性能，他們發(fā)現(xiàn)NMC622材料擁有最大的鋰層間距 是其具有最大擴(kuò)散系數(shù)和最小溫度依賴的根本原因。此研究不僅預(yù)測了NMC622材料是一種有潛力的能夠在復(fù)雜環(huán)境下工作的正極材料，也為新的高性能層狀材料的研發(fā)設(shè)計(jì)提供重要的理論指導(dǎo)。上述成果近期發(fā)表在國際頂級能源材料雜志上Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201501309，SCI，影響因子16）上。MaterialsViews 做了相關(guān)的報(bào)道（http://www.materialsviewschina.com/2016/02/）
該工作是北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院清潔能源材料研究中心多名研究生、博士后和老師通過交叉學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新取得的成果，其中2013級碩士研究生崔歲寒、2012級碩士韋屹、2014級直博研究生劉同超是該工作的共同第一作者，特聘研究員鄭家新、王新煒和潘鋒教授是該工作的共同通信作者。
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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201501309/full?wol1URL=/doi/10.1002/aenm.201501309/full?ionCode=CN-GD&identityKey=7abfa4b4-6707-43b0-83ff-510410f86b33
Suihan Cui1, Yi Wei1, Tongchao Liu1, Wenjun Deng, Zongxiang Hu, Yantao Su, Hao Li, Maofan Li, Hua Guo, Yandong Duan, Weidong Wang, Mumin Rao, Jiaxin Zheng*, Xinwei Wang*and Feng Pan* Optimized Temperature Effect of Li-Ion Diffusion with Layer Distance in Li(NixMnyCoz)O2 Cathode Materials for High Performance Li-Ion Battery , Adv. Energy Materials 2015 DOI: 10.1002/aenm.201501309（SCI，IF=16.146）
