北大新材料學(xué)院師生在鋰電池材料輸送機(jī)理方面取得重要突破的新聞登在北京大學(xué)主頁（http://pkunews.pku.edu.cn/xxfz/2015-07/07/content_289578.htm）。
鋰離子電池作為一種清潔能源存儲(chǔ)器件，已在我們的日常生活中發(fā)揮著重要作用，比如電子器件、電動(dòng)汽車和國(guó)防軍事等。三元材料是目前鋰離子電池廣泛應(yīng)用的正極材料（如大多數(shù)手機(jī)和特斯拉電動(dòng)汽車所采用的正極材料），也是北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院協(xié)同深圳企業(yè)正在開展的國(guó)家電動(dòng)汽車動(dòng)力電池重大創(chuàng)新工程的關(guān)鍵正極材料。鋰離子電池領(lǐng)域研究了幾十年，研究最為廣泛的一類材料。隨著目前動(dòng)力電池的需求越來越高，對(duì)鋰離子電池的功率密度提出了更高的要求。這就要求電池正極材料具有快速充放電的性能。影響鋰電池充放電速度最重要的因素是正極材料自身的鋰離子輸運(yùn)機(jī)理（擴(kuò)散路徑和擴(kuò)散系數(shù)）。但是目前對(duì)于三元材料的鋰離子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)及調(diào)控仍然缺乏深入而系統(tǒng)研究，如何進(jìn)一步優(yōu)化三元材料的組分提高鋰離子擴(kuò)散系數(shù)（兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和成本）是該領(lǐng)域仍未解決的一個(gè)重要問題。
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院博士后鄭家新及12,13級(jí)碩士研究生韋屹和崔歲寒在潘鋒教授的指導(dǎo)和帶領(lǐng)下，在學(xué)院其他同學(xué)和老師的積極幫助和支持下，開展交叉學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，首次系統(tǒng)和完備地揭示了三元層狀正極材料的鋰離子是如何脫出的輸運(yùn)機(jī)理。采用量子化學(xué)的第一性原理的理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)三元層狀正極材料中，存在兩種類型的鋰離子擴(kuò)散通道ODH和TSH，在充電的初始階段以O(shè)DH為住，隨后以TSH為主。對(duì)于兩類通道，Ni2+和Ni3+附近的鋰離子擴(kuò)散能壘最低，形成優(yōu)勢(shì)通道。同時(shí)Mn和Co等過渡金屬元素會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)、缺陷和鋰層的層間距起到調(diào)制作用，從而間接影響鋰離子的擴(kuò)散。同時(shí)他們還采用電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量一系列三元層狀正極材料的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了他們所提出的機(jī)理和模型。這將為今后三元材料鋰離子動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)化和設(shè)計(jì)，及制備高性能的鋰電池材料提供了重要線索和理論指導(dǎo)。上述研究成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)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.
新材料學(xué)院鄭家新博士、碩士研究生韋屹和崔歲寒為以上工作的共同第一作者。深圳參與國(guó)家動(dòng)力電池汽車重大工程的企業(yè)（沃特瑪電池、天驕電池材料企業(yè)）、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Amine博士、美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Wong Chongmin博士參與了本研究工作。
本研究成功的開展得益于產(chǎn)學(xué)研的協(xié)同創(chuàng)新及國(guó)際化科研合作。以上工作得到了國(guó)家動(dòng)力電池汽車重大專項(xiàng)、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市科技創(chuàng)新委基金(No. ZDSY20130331145131323, CXZZ20120829172325895, JCYJ20120614150338154)資助，以及深圳市國(guó)家超算中心的支持。
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