北京大学深圳研究生院技术转移

新型锂电池正极材料设计取得重大进展

文章来源:新材料学院

在锂离子电池材料中,正极材料是限制其容量和功率提高的主要因素。正极材料中,层状过渡族金属氧化物Li(NixCoyMnz)O2 (NCM)三元材料由于其较高的理论容量(~280mAh/g)收到广泛关注,但是由于在采用较高的充放电电压时,其层状结构逐渐向尖晶石转变等原因,其实际容量却一般只能使用170mAh/g左右,存在较大的提升空间。

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授、吴忠振博士、郑家新博士的研究小组与美国马里兰大学胡良斌研究小组、美国劳伦斯伯克利国家实验室软x-射线的杨万里研究小组及美国空军实验室的徐康博士合作,对设计基于NCM三元材料为正极,具有高容量和长时间的循环使用的锂电池开展研究,他们针对整个电极传统设计中存在导电不均匀的问题,提出“去极化”并且是全活性电极概念,使三元材料Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2(NCM523)粒子埋入紧密缠绕的 的导电碳纳米管(CNTs)网络中,该电极设计的优势包括保证良好的电子和锂离子电导率,而且去掉所有不导电介质(如粘结剂), 使得电极所有成分(NCM和CNT)均有锂电池活性具有储锂离子的功能。

该新型设计的电极在3.0-4.8V之间进行充放电时,可以进行稳定循环,可逆充放电容量高达250mAh/g,接近其理论容量, 同时采用第一性原理进行了机理研究,计算了NCM523材料“去极化”作用下的充放电曲线,发现其释放容量与实验结果吻合,同时结合循环伏安曲线,揭示了三元材料的两步顺序储锂机制,为锂离子电池电极提供了新设计途径。相关研究成果发表在最近一期的国际新材料一级杂志-《 纳米快报(NanoLetters)》(SCI 影响因子 12.8)上。论文点击阅读