鋰離子電池（LIB）在便攜式電子設備，電動車等領域有著廣泛的用途。富Ni層狀氧化物正極材料，由于能量密度高、成本低等特點，已成為最有應用前景的下一代LIB正極材料之一。然而，隨著層狀材料中Ni含量的增加，產(chǎn)生了許多相關的問題，如實際容量和理論容量相差大，熱穩(wěn)定性低，循環(huán)穩(wěn)定性差等。????????

在高Ni層狀材料中存在著獨特的Li/Ni無序的現(xiàn)象，即，部分Li⁺離子占據(jù)了過渡金屬（TM）層的3a位，而部分Ni²⁺離子占據(jù)了Li層的3b位。Ni²⁺在Li層的存在會極大阻礙了Li⁺離子的在充放電過程中的脫出和插入，從而降低材料的實際容量。

因此，Li/Ni無序被認為是導致高Ni材料實際容量低的重要原因之一。長久以來，Li/Ni無序在合成過程中何時發(fā)生，為什么發(fā)生，這些疑問一直沒有得到解答。

近日，北京大學深研院新材料學院潘鋒教授課題組和美國Brookhaven國家實驗室王峰教授課題組合作，針對這些問題通過同步輻射X射線原位探測鋰電池富Ni層狀氧化物正極材料在整個合成過程中的結構演化進行了深入系統(tǒng)的研究。研究中，采用多種同步輻射技術，包括X射線衍射（XRD），全散射（PDF）和吸收（XAS），在各種尺度下（長程和局域）對富Ni層狀材料LiNi_0.77Co_0.13Co_0.10O₂原位合成過程中的結構演化過程進行追蹤。

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圖1 多模同步輻射X射線技術揭示高鎳材料在合成過程中的長程拓撲相轉變和局域多面體內的結構無序過程。

團隊通過原位同步輻射XRD揭示了長程尺度上發(fā)生的從層狀前驅體氫氧化物Ni_0.77Co_0.13Co_0.10O₂到層狀氧化物LiNi_0.77Co_0.13Co_0.10O₂的拓撲相轉變過程，以及相伴發(fā)生的先Li/Ni無序再Li/Ni有序的局域結構變化過程；

原位PDF和原位XAS相結合將局域八面體內的Li/Ni無序過程與過渡金屬Ni/Co/Mn的氧化動力學關聯(lián)起來，揭示了NiO₆八面體的對稱性破缺和重構是Li/Ni無序現(xiàn)象發(fā)生的根本原因。

這一原位實驗結果進一步被理論計算結果所驗證。 這些發(fā)現(xiàn)揭示了高Ni層狀材料結構無序的合成起源，為合成過程中降低甚至消除結構無序提供了理論指導，有望顯著提升富鎳材料的實際容量及能量密度。

該工作是在北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授、美國Brookhaven國家實驗室王峰教授、美國Argonne國家實驗室Khlil Amine教授和美國國家同步輻射光源NSLS II白健明教授的共同指導下，由博士后張明建及相關人員一起完成。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06150

Zhang M J, Teng G,Chen-Wiegart Y K, et al. Cationic Ordering Coupled to Reconstruction of BasicBuilding Units during Synthesis of High-Ni Layered Oxides[J]. Journal of theAmerican Chemical Society, 2018.

本文來自北京大學新材料學院，王妍妍編輯整理。