北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊，最近他們通過第一性原理計算和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)三元層狀正極材料的穩(wěn)定性與晶格結(jié)構(gòu)中最不穩(wěn)定的氧有關(guān)，而氧的穩(wěn)定性又由其基本的配位單元決定。通過此模型，他們系統(tǒng)地揭示了層狀材料中鋰的含量、過渡金屬元素的含量及價態(tài)、Ni/Li反位缺陷等因素對氧穩(wěn)定性的調(diào)控。

鋰離子電池作為一種清潔能源存儲器件，隨著其廣泛應(yīng)用于我們的日常生活之中，它的安全問題也越來越受關(guān)注，比如最近接連發(fā)生的手機充電過程中起火或爆炸等。三元層狀材料Li(NixMnyCoz)O2(NMC)(x+y+z=1)具有較高的理論容量，易合成，以及相對較低的價格，是目前應(yīng)用于鋰離子電池最為廣泛的正極材料(如大多數(shù)手機和特斯拉電動汽車所采用的正極材料)，也是北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院協(xié)同深圳企業(yè)正在開展的國家電動汽車動力電池重大創(chuàng)新工程的關(guān)鍵正極材料。但是其安全性能較差，當過充或受熱時容易引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞或相變，從晶格釋放氧氣，與有機電解液接觸后容易起火燃燒，嚴重的會引發(fā)爆炸。這也成為其應(yīng)用于電動汽車動力電池的一大挑戰(zhàn)。

理論計算和實驗測量得到三元層狀材料充電(脫鋰)過程中起始脫氧溫度的變化

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊，對鋰電池三元層狀NMC材料開展了系統(tǒng)研究，對鋰的擴散機理及高低溫的性能開展了系統(tǒng)的研究(J.Am.Chem.Soc.，2015，137(26)，pp8364)，并發(fā)現(xiàn)NMC622具有最好的高低溫的性能(AdvancedEnergyMaterials2015，DOI：10.1002/aenm.201501309)。最近他們通過第一性原理計算和實驗驗證，發(fā)現(xiàn)三元層狀正極材料的穩(wěn)定性與晶格結(jié)構(gòu)中最不穩(wěn)定的氧有關(guān)，而氧的穩(wěn)定性又由其基本的配位單元決定(TM(Ni，Mn，Co)3-O-Li3-x’：每個氧和過渡金屬層中的三個過渡金屬離子配位，同時和鋰層中的0到3個鋰離子配位)。通過此模型，他們系統(tǒng)地揭示了層狀材料中鋰的含量、過渡金屬元素的含量及價態(tài)、Ni/Li反位缺陷等因素對氧穩(wěn)定性的調(diào)控。這將為今后三元層狀材料鋰離子電池穩(wěn)定性的優(yōu)化提供重要線索和理論指導(dǎo)。上述研究成果以全文形式發(fā)表于國際著名期刊《美國化學(xué)會志》(J.Am.Chem.Soc.，2016，138，13326，13334)上。

新材料學(xué)院特聘研究員鄭家新、2014級博士研究生劉同超、碩士研究生胡宗祥為以上工作的共同第一作者，潘鋒教授為通訊作者。合作單位包括美國阿貢國家實驗室，西北太平洋國家實驗室，深圳天驕、沃特瑪?shù)蠕囯x子電池企業(yè)。以上工作得到了國家材料基因組重大專項、廣東省創(chuàng)新團隊、深圳市科技創(chuàng)新委基金的資助。