汽車工業的快速電氣化對鋰離子電池的能量密度和成本提出了更高的要求。超高鎳(Ni≥?0.9)層狀氧化物正極材料以其卓越的能量密度和成本效益，成為目前極具前景的動力電池正極材料。然而，超高鎳正極材料Ni含量的提升也加重了Li-Ni反位缺陷問題。過去研究結果表明Li-Ni反位缺陷會顯著影響電化學性能。同時，理論計算結果表明材料中的Li-Ni反位缺陷并非一成不變，其在充放電過程中是動態變化的。然而，到目前為止，Li-Ni反位缺陷的動態演化過程尚未得到實驗量化，阻礙了進一步理解和優化超高鎳正極材料結構。
此外，過去針對Li-Ni反位缺陷問題的研究大多集中于反位在Li層中的Ni，忽視了反位在過渡金屬(TM)層中的Li。理論上，反位在TM層中的Li會形成Li?O?Li構型，導致非鍵態O2p軌道的形成，從而觸發(高電壓)陰離子氧化還原反應。不同于過渡金屬，陰離子氧化還原反應很容易導致氧氣釋放，進而引發不可逆結構相變和電化學性能衰退。同時，氧空位的產生理論上會進一步促使Ni從TM層遷移至Li層，加劇反位缺陷的形成。因此，深入理解Ni遷移與陰離子氧化還原之間的動態耦合過程，對開發高電壓超高鎳正極材料至關重要。
基于此，松山湖材料實驗室中子科學-量子和能源材料團隊利用原位工況中子衍射技術定量分析了LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2(NCM90)材料中Li-Ni反位缺陷的動態演化過程，及其與陰離子氧化還原反應之間的耦合關系。與X射線和電子相比，中子對Li、O等輕質元素更為敏感，并且能夠區分Ni、Mn、Co等近鄰過渡金屬元素。結合原位電化學樣品環境，中子衍射可以精確地量化與氧晶格相關的過渡金屬遷移和動態結構演變。此外，為避免6Li同位素對中子的吸收，同時提高中子衍射數據質量，研究人員選用7Li同位素鋰源合成了用于原位中子衍射測量的樣品。
相關研究成果以“Dynamic Evolution of Antisite Defect and Coupling Anionic Redox in High-Voltage Ultrahigh-Ni Cathode”為題，發表在國際知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，同時被期刊編輯部選為Very Important Paper(Top 5%)。松山湖材料實驗室中子科學-量子
聲明：
“松山湖材料實驗室Angew. Chem. Int. Ed.：量化超高鎳正極反位缺陷動態演化” 該技術專利(論文)所有權利歸屬于技術(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業用途，請聯系該技術所有人。
我是此專利(論文)的發明人(作者)
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編輯：中冶有色網
來源：松山湖材料實驗室
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2025年07月16日 ~ 18日 
