浙江大學最新Nature

一、研究背景

在插入化學過程中產生的各向異性晶格應變和應力通常引起晶體結構不穩定，包括裂紋的形成。因此，零應變插入材料的發展決定了優越的電化學能力，如鋰鈦氧化物。然而，當使用合成和晶體化學來維持零缺陷和相純度的理想情況時，存在機械化學降解問題。

使用最先進的富鎳層狀氧化物(LiNi_xCo_yMn_1?x?yO₂, x >0.5)作為鋰離子電池正極材料，可以將能量和功率密度達到更高的水平。然而，在鋰(脫)插層過程中產生各向異性晶格應變和應力相關的體積變化，會導致正極材料結構嚴重不穩定和電化學衰變，當電池在高電壓(高于4.5 V)下工作時，這種情況會進一步放大，這嚴重影響了電池的高能釋放。即使經過了大量的努力，直接減輕晶格應變持續累積的本征應變抑制方法仍然難以找到。

二、成果掠影

近日，浙江大學陸俊和吳天品教授提出了通過在層狀結構中引入相干鈣鈦礦相作為“鉚釘”，通過釘住效應顯著地緩解了有害的結構演變。與傳統材料相比，每一次循環的晶格應變演化顯著降低了近70%，增強了形態完整性，從而顯著提高了電池的循環性能。

相關成果以“Strain-retardant coherent perovskite phase stabilized Ni-rich cathode”為題發表在國際頂級期刊Nature上，論文第一單位為浙江大學。

三、圖文導讀

圖1 |應變抑制策略和實現。

圖2 |用operando同步XRD表征的應變緩變行為

圖3 |半電池的電化學性能表征。

圖4 |化學相分布及三維形態變化

四、結論展望

研究提出了通過在富鎳層狀結構中引入鈣鈦礦相的應變抑制策略。由于其結構相容性，鈣鈦礦相可以相干生長成層狀結構。由于電化學不活躍的應變抑制相的大的相變能壘，這種相干結構穩健的基體可以維持機械化學穩定性。通過這種方法，可以極大地抑制層狀氧化物中固有的晶格應變，獲得持久的結構和形態穩定性，防止副反應和不可逆相變擴展到體相粒子中。因此，這種穩定的材料表現出優越的電化學性能，特別是長期循環穩定性，即使在4.6 V的非常高的截止電壓下(在1C電流下，超過200個周期保持94.7%的容量保持率)。這種新的應變抑制方法拓寬了晶格工程釋放鋰(脫)插層產生的應變的前景，為發展具有長壽命的高能量密度陰極鋪平了道路，同時也拓寬高度穩定的晶體結構應用于先進高能電池系統的前景。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05238-3

本文由張熙熙供稿。