上海科技大学物质学院谢琎课题组与上海交通大学化工系李林森课题组合作，在锂离子电池三元正极材料领域取得重要进展。近日，该研究成果以“Simultaneous enhancement of interfacial stability and kinetics of single-crystal LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 through optimized surface coating and doping”为题，在美国化学会旗下学术期刊Nano Letters上在线发表。
图1|单晶高镍材料表面ZrO2包覆层向Zr4+表面掺杂转化的示意图
锂离子电池为当前最受关注的电化学储能技术，其产能和应用场景在过去十年都发生了快速的增长。高镍层状氧化物正极材料[LiNixCoyMn1-x-yO2(x≥0.6), NCM]是构建高比能电池的关键之一，已在学术界和工业界引起广泛的关注。NCM中Ni含量的增加提供了更高的比容量，然而其结构和电化学循环稳定性都有所降低。NCM较差的稳定性与其机械和化学上的不稳定性密切相关。针对这一问题，该工作提出了一种全面的解决方案：通过原子层沉积（ALD）和后期热处理相结合的办法，同时将表面包覆和表面掺杂应用于微米级单晶NCM颗粒表面。与传统的多晶NCM颗粒相比，微米尺寸的单晶NCM可以消除材料在循环过程中发生的晶粒破碎。通过对由ALD制备的超薄ZrO2涂层进行可控的后退火处理，可以将部分ZrO2薄膜转化为表面的Zr4+掺杂，有效抑制材料表面化学副反应并加快Li+在界面处的电荷转移。改性后的材料具有极为出色的循环稳定性（1C，2.8-4.5 V，150次循环，容量保持率为98.5％）和倍率性能（5C下的容量保持率达到0.1 C时的80%）。此外，文章通过准原位和常规XPS表征，进一步探究了ZrO2原子沉积层向表面掺杂的转变过程。退火温度会影响包覆向掺杂的转化程度，在合适的退火条件下，Zr以涂层和表面掺杂的形式同时存在，两者的协同作用使单晶NCM的性能得到了大幅度的提升。该工作提出的单晶颗粒表面从ALD涂层到表面掺杂的转化方法为稳定高压锂离子电池正极材料提供一种新的思路，也为原子层沉积在设计储能材料界面中的应用开辟了新的机遇。
图2|不同后退火温度下各材料的性能对比，其中经过500°C退火后的材料具有最为优异的循环和倍率性能
物质学院谢琎课题组2018级硕博连读研究生包文达和上海交通大学2017级博士研究生钱冠男为该论文共同第一作者，谢琎教授和上海交通大学李林森特别研究员为论文共同通讯作者，该工作得到了上科大刘志教授课题组博士后蔡军、助理研究员余毅以及上海交通大学博士研究生孟德超、马紫峰教授的帮助和支持，同时感谢上科大物质学院电镜中心、分析测试平台的大力支持。上海科技大学为第一完成单位。该项工作受到了上海市自然科学基金（19YF1433300）、上科大启动经费和国家自然科学基金（22008154）等的支持。
论文链接:
https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c03778