高低温性能最好的镍钴锰(MNC)三元动力电池材料及机理

锂离子电池作为一种清洁能源储能器件,目前已经广泛应用于工业生产和日常生活中。随着能源与环境的压力日益增大,人们对锂离子电池的要求越来越高,尤其是高功率密度的动力电池,作为应用最广的一种锂离子电池正极材料,镍钴锰三元锂离子氧化物材料(MNC)以其扩散性能好,环境友好性高,储能密度高等优点,一直备受人们的关注。特斯拉电动汽车的动力电池使用的动力电池材料就类似这种材料。电动汽车会在高温的盛夏及寒冷的严冬,所以所使用的电池材料需要好的高低温性能,这就需要我们从机理上去研究揭示材料内部锂离子的输运机理及相关的温度效应,从而提高电池在不同使用温度下的充放电倍率性能。但是,目前对于用于动力电池的MNC三元材料的温度效应的扩散动力学的研究还不够深入和系统,尤其是温度、层状材料的层间距等因素影响扩散系数方面缺乏深入研究,因此什么样配比的MNC三元材料具有最好的高低温性能尚未被发现。

Energypanfeng北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队在前期MNC三元材料研究工作中J. Am. Chem. Soc., 2015, 137 (26), pp 8364–8367),系统地研究了充放电脱锂状态以及过渡金属元素成分比例对锂离子扩散的影响,最近他们在此基础上进一步研究了MNC三元材料的高低温扩散动力学及在寻找具有最佳高低温性能的三元材料方面取得重要突破。他们通过电化学GITT扩散系数测量系统地研究了一系列三元材料锂离子扩散系数的温度效应,首次发现其中一种MNC三元(LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 称为NMC622)材料具有最大的扩散系数,同时具有很小的温度效应,即能够在极低和极高温度下很好的工作,从而所做成的电动车动力电池能够克服气候环境的制约。他们进一步采用结构测量和第一性原理计算发现了为什么MNC622具有最好的高低温性能,他们发现NMC622材料拥有最大的锂层间距 是其具有最大扩散系数和最小温度依赖的根本原因。此研究不仅预测了NMC622材料是一种有潜力的能够在复杂环境下工作的正极材料,也为新的高性能层状材料的研发设计提供重要的理论指导。上述成果近期发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501309上。

该工作是北京大学深圳研究生院新材料学院清洁能源材料研究中心多名研究生、博士后和老师通过交叉学科协同创新取得的成果,其中2013级硕士研究生崔岁寒、2012级硕士韦屹、2014级直博研究生刘同超是该工作的共同第一作者,特聘研究员郑家新、王新炜和潘锋教授是该工作的共同通信作者。