提高富锂层状正极材料结构与性能稳定性.docx

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1、提高富锂层状正极材料结构与性能稳定性富锂层状金属氧化物因高能量密度、高工作电位和较低的成本而成为锂离子电池最有前途的正极材料之一。然而,还有许多问题阻碍了它的商业化应用,包括容量衰减、倍率性能差以及持续的电位下降等。在本论文中,我们探究了富锂层状正极材料结构的衰变机理,并提出了三种提高结构稳定性的策略,包括表面掺杂、构建本征Li-过渡金属（TM）混排和通过结构设计促进阳离子混排。分别在富锂锰基层状氧化物Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13

2、>O₂表面附近晶格中掺杂铌（Nb）、锆（Zr）以及钛（Ti）。表面掺杂离子替代Li层中的Li⁺并加强了表面结构。强的Nb-O离子键使表面氧“失活”,保证了材料结构在电池循环过程中的完整性,提高了结构稳定性。电化学测试表明,表面改性的材料首周放电容量达到320mAhg^-1,经过100周循环后保持率为94.5%。更重要的是,在此过程中平均放电电位仅下降136mV。球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）在原子尺度的表征显示Nb、Zr和Ti原子进入表面Li层约4-5个原子层（

3、¹.5nm）的深度。软X射线吸收谱（SXAS）证实了Nb离子在高脱锂态下对氧的锚定作用。拉曼光谱分析证明了材料的结构完整性,以及在长期循环后表面改性的材料中不存在层状向尖晶石相变。设计了一种新型富锂层状金属氧化物Li_1.2Ti_0.26Ni_0.18Co_0.18Mn_0.18O₂(或记为0.3Li₂TiO₃?0.7LiNi_1/3

4、ub>Co_1/3Mn_1/3O₂,LTR),其中部分TM离子天然存在于Li层中。Li-TM混排结构增加了结构对晶格畸变的容忍度并抑制了TM迁移。因此,LTR表现出了很好的循环稳定性,在150周循环后具有98%的容量保持率。在此过程中,平均放电电位仅下降90mV。电子能量损失谱（EELS）和球差校正STEM分析证明了Li-TM混排结构,密度泛函理论（DFT）计算及X射线吸收谱（XAS）阐明了材料的电荷补偿机制。提出了一种解决富锂正极电位衰减的新策略。基于密度泛函理论计算,

5、我们设计了一种新型的富锂层状结构材料Li_1.2Mo_0.6Fe_0.2O₂,只需要经过最初的几个充电/放电循环其中的TM就完成迁移,材料也从层状结构转化为岩盐结构。由于阳离子混排只发生在初始的几个循环中,放电电位也在经过少数几个循环后就稳定下来。我们通过STEM证实了材料在原子尺度上的剧烈结构变化,通过原位XAS和穆斯堡尔谱阐明了材料的电荷补偿机制。