我科研團隊自主開發出高性能無鈷富鋰錳基正極材料體系

科技日報記者王健高 通訊員劉佳 宋德朋

11月4日，記者從中國科學院青島生物能源與過程研究所獲悉，該所武建飛研究員帶領的先進儲能材料與技術研究組，立足前沿，針對富鋰錳基正極材料的發展瓶頸開發了多項改性策略和關鍵技術，取得了重要成果（Journal of Alloys andCompounds, 744 (2018)：41-50，ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，online；專利CN201911201192.1，CN201811106607.2，CN202010098277.8），為解決富鋰錳基正極材料產業化的發展難題奠定了研究基礎。

隨著電動汽車的持續發展，對於長續航動力鋰電池的需求日益增加。富鋰錳基鋰電池正極材料因其高比容量、高工作電壓、熱穩定性好、低成本等優點一直備受關注，是一種非常有潛力的動力型正極材料。但是其本身在循環中首效低、循環性能和倍率性能差、電壓衰降嚴重、無相匹配的高壓電解液等缺點阻礙了其進一步商業化和產業化的發展。

作為動力電池正極材料中的重要元素之一，鈷起到穩定材料結構和提高循環、倍率性能的重要作用。然而，鈷作為不可再生金屬，資源量稀缺，有限的鈷資源無法支撐新能源汽車無限的發展空間。另一方面，鈷對正極材料本身的成本影響也很大。由於鈷需求的增加，鈷的價格在過去幾年持續增長，這對電池行業的低成本是一個挑戰。鈷的稀缺和高價格將逐漸限制電動汽車市場的未來，如果將電池中的鈷成分降低甚至取消，電動車將會更具性價比。因此，開發鈷含量較低的正極材料至關重要，低鈷甚至無鈷逐漸成為了電池發展的趨勢，無鈷電池正是基於這一現實情況而誕生。自從特斯拉提出「無鈷電池」的口號之後，牽出了業界在無鈷電池上的多方面努力。眾所周知，正極材料中去鈷或者少鈷，面臨的技術挑戰之一就是如何解決鋰鎳混排以及金屬溶出的問題，否則正極材料的穩定性、循環性能、倍率性都非常差。普遍的「無鈷」概念是將正極材料中的鈷含量降低，進而用摻雜包覆其它元素的方法來「補償」，從而保證正極材料的結構穩定性。

武建飛研究組不斷跟進行業發展動態，在高性能富鋰錳基正極材料的基礎上繼續開展了無鈷正極材料的研究。近日，該研究組在富鋰正極材料的基礎上實現無鈷化，成功開發出高性能無鈷富鋰錳基正極電池體系，這不僅降低了正極材料的成本，而且進一步提升了富鋰正極材料的電化學性能，可謂是一舉兩得。該無鈷富鋰錳基正極材料的首次放電比容量達到250 mAh·g-1（圖1A）的同時，去鈷後的富鋰正極材料反而其循環壽命得到大幅提升，在0.5C倍率下經過300次充放電循環後仍有96%的高容量保持率（普通富鋰正極材料只有50%，圖1B）。倍率性能也獲得極大地改善而且回復率高（圖1C）。更重要的是，該無鈷富鋰錳基體系對抑制循環過程中的電壓衰降表現非常出色，經過100圈循環後幾乎沒有明顯的電壓衰降（圖1F）；即使經過大電流的長循環，正極材料的結構也能保持很好的穩定性（圖1L）。同時，該體系使用了比普通體系更低濃度的鋰鹽電解液（＜1M-LiPF6），在大幅度提升無鈷富鋰材料的電化學性能的同時進一步降低了電池體系的成本。

據介紹，無鈷富鋰錳基正極材料體系的開發，實現了真正意義上的正極材料無鈷化，大大降低了正極材料的成本，而且突破性的提高了富鋰錳基正極材料的循環穩定性並且更好的抑制了循環過程中的電壓平臺衰降，這將更加凸顯富鋰正極材料在與其他正極材料中的競爭優勢。對於電池行業而言，這不僅可以使鋰電池成本降低，壽命提升，同時可以提升電動汽車的續航裡程，為長續航動力鋰電池提供了關鍵的材料解決方案。該體系的開發將豐富無鈷電池市場，進一步推動無鈷電池發展，並且有望實現無鈷富鋰錳基鋰離子電池的產業化應用，具有很大的商業化前途和應用價值（專利CN202011120181.3）。

無鈷富鋰錳基正極材料體系的電化學性能（A-F）和相關結構表徵（G-L） 宋德朋 供圖

編輯：張琦琪

審核：王小龍