鋰離子電池（LIB）因其高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備與電動汽車領(lǐng)域，是目前最成功且商業(yè)前景最廣闊的可充電電池體系之一。為進一步提升鋰離子層狀正極材料的能量密度并降低成本，提高鎳含量已成為主流技術(shù)路線。然而，隨著鎳含量的增加，該類材料對空氣中的水和二氧化碳更為敏感，其表面反應(yīng)生成的雜質(zhì)會導(dǎo)致電池能量密度下降、結(jié)構(gòu)退化以及一系列安全隱患。目前，大多數(shù)研究聚焦于材料與空氣分子之間的表面化學(xué)反應(yīng)機理，而忽略了水解產(chǎn)生的質(zhì)子對材料表面結(jié)構(gòu)與性能的侵蝕作用。
研究成果在Acta Materialia期刊的發(fā)表頁面
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院鄭家新/許賢祺課題組在國際知名期刊Acta Materialia上發(fā)表題為“The influence of protons on the impurity formation process in the layered LiNiO2 surface”的文章（https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121363）。該工作基于密度泛函理論計算，揭示了質(zhì)子侵蝕在局部應(yīng)力積累、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學(xué)穩(wěn)定性等方面對層狀LiNiO2表面性能的影響。具體機制包括：
1. 質(zhì)子的引入會引發(fā)鎳離子還原，并降低金屬陽離子與晶格氧之間的鍵合強度，導(dǎo)致表面離子的鍵長延長，從而在雜質(zhì)形成初期誘導(dǎo)局部應(yīng)力積累；
2. 質(zhì)子誘導(dǎo)的局部應(yīng)力進一步加速鋰離子脫出和過渡金屬溶解，形成應(yīng)力積累的正反饋循環(huán)；
3. 表面鋰離子的持續(xù)脫離伴隨著質(zhì)子向內(nèi)層滲透，促使上述退化過程向內(nèi)層延伸；
4. 當(dāng)鋰脫出到一定程度時，表面晶格氧穩(wěn)定性下降，發(fā)生遷移并形成O-O二聚體；
5. 質(zhì)子侵入還會降低材料表面的拉伸、壓縮和剪切模量，從而削弱其表面機械強度，可能促進表面微裂紋的萌生與擴展。
為抑制質(zhì)子侵蝕，作者設(shè)計了一種由細(xì)化LiF和粗化β-Li3N組成的固態(tài)電解質(zhì)界面作為正極表面涂層。其中，具有低質(zhì)子嵌入能壘和高質(zhì)子遷移活化能的LiF可有效捕獲質(zhì)子；而具備高鋰離子導(dǎo)率和高質(zhì)子遷移活化能的β-Li3N則有利于鋰離子的傳導(dǎo)，從而在阻質(zhì)子導(dǎo)鋰的同時提升界面穩(wěn)定性。
文章摘要圖
作者信息
該工作由北京大學(xué)新材料學(xué)院長聘副教授鄭家新與南燕特聘副研究員許賢祺共同指導(dǎo)完成，第一作者為許賢祺與碩士生李雨珂。研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會的支持。
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https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121363
