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01 研究背景

高鎳正極材料因其高容量和低成本效益受到廣泛認(rèn)可，是高能量密度鋰離子電池正極材料的熱門選擇。但高電壓下快充和長(zhǎng)循環(huán)會(huì)引發(fā)高鎳正極嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性以及應(yīng)力應(yīng)變積累的問題，阻礙其進(jìn)一步的商業(yè)化應(yīng)用。

02 研究工作簡(jiǎn)介

近日，來自北京理工大學(xué)吳鋒院士團(tuán)隊(duì)的蘇岳鋒教授、陳來研究員、董錦洋博士后，在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表題為“Enhancing Chemomechanical Stability and High-Rate Performance of Nickel-Rich Cathodes for Lithium-Ion Batteries through Three-in-One Modification”的研究論文。該研究提出了金屬陽離子誘導(dǎo)的三合一改性策略來提升材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和倍率性能。W摻雜增強(qiáng)了材料表層與氧的結(jié)合，抑制了深度脫鋰過程中從層狀到巖鹽相轉(zhuǎn)變引發(fā)的氧損失，從而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在正極表面構(gòu)建具有適宜厚度的陽離子混合層可以提高Li+擴(kuò)散速率，減輕顆粒結(jié)構(gòu)退化。此外，Li2WO4納米包覆層可減少活性材料與電解液的副反應(yīng)。重要的是，對(duì)不同電流倍率下循環(huán)前后的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行深入的研究，以更好地理解倍率失效機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)為高效利用高鎳正極材料提供了寶貴的機(jī)理見解，加速了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

圖1.六價(jià)金屬陽離子誘導(dǎo)三合一改性機(jī)理及倍率失效機(jī)制示意圖

03 核心內(nèi)容表述

（1）三合一機(jī)制構(gòu)建納米表面層

電極材料的固有顆粒特性決定了電池的電化學(xué)性能，為了表征粉末材料的物理化學(xué)特征，因此作者采用元能科技粉末電阻率&壓實(shí)密度儀（PRCD3100，IEST）測(cè)量粉末電阻率和電導(dǎo)率。經(jīng)過改性后由于在材料表面形成Li2WO4包覆層而消耗了大量的殘堿，相比于原始材料，降低了樣品的粉末電阻率，從而增強(qiáng)了材料的電導(dǎo)率；為了進(jìn)一步表征單個(gè)粒子的力學(xué)性能，作者采用元能科技單顆粒力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)（SPFT2000，IEST）的高精度壓力傳感器和位移控制來測(cè)量單顆粒子的力學(xué)性能，從測(cè)試可以看出三合一修飾層增強(qiáng)了材料的抗壓強(qiáng)度并減少了材料破碎時(shí)的位移變化，這表明經(jīng)過修飾材料可以承受更大的內(nèi)部應(yīng)力而提升顆粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而可進(jìn)一步提升材料或電極的壓實(shí)密度，提升電池容量密度；經(jīng)過PITT測(cè)試，重構(gòu)的陽離子混合層及Li2WO4包覆層顯著的提升了材料的Li+傳輸效率，從而使得在大電流密度下材料的循環(huán)性能得到提升。綜上所述，測(cè)試單個(gè)正極材料顆粒的關(guān)鍵材料性能參數(shù)，有助于我們深入理解材料性能變化的機(jī)理。

圖2.（a）W-0和W-0.5樣品的粉末電阻率（b）電子電導(dǎo)率（c）單粒子力測(cè)試（d）W-0（e）W-0.5樣品單粒子力學(xué)測(cè)試前后的光學(xué)照片（f）W-0和（g）W-0.5在0.1-0.7 mV s-1下的CV曲線（h）掃描速度和峰值電流之間的關(guān)系（i）W-0的PITT測(cè)試（j）W-0.5的PITT測(cè)試（k）相應(yīng)的Li+擴(kuò)散系數(shù)

（2）深入研究倍率失效機(jī)制

為研究DIEA工程對(duì)材料中晶格氧釋放以及過渡金屬遷移的調(diào)控，進(jìn)行了原位XRD、原位拉曼以及原位DEMS測(cè)試。原位XRD測(cè)試中，材料在高截止電壓下晶胞參數(shù)變化緩慢，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定應(yīng)變減緩。原位拉曼測(cè)試用以分析樣品中的過渡金屬遷移情況以及結(jié)構(gòu)退化，改性樣品中500 cm-1和618 cm-1處的特征峰變化較小，而原始樣品中在650 cm-1處出現(xiàn)新的特征峰，表明材料由于過渡金屬遷移產(chǎn)生了新的尖晶石相。原位DEMS測(cè)試則表明具有高熵表層的材料在高壓下的氣體釋放明顯抑制，表明其更加穩(wěn)定的晶格氧骨架。進(jìn)一步采用DFT計(jì)算，為晶格氧釋放以及過渡金屬遷移提供理論支撐，結(jié)果表明具有高熵表面的材料在高脫鋰態(tài)仍能展現(xiàn)較高的氧空位形成能以及Mn遷移能壘，這與測(cè)試結(jié)果相互印證，表明材料高壓下仍能表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。

圖3.（a）W-0 在1 C（b）W-0.5在1 C下循環(huán)100周后的SEM橫截面圖像（c）W-0 在2 C（d）W-0.5在2 C下循環(huán)100周后的SEM橫截面圖像 (e）W-0在1 C（f）W-0.5在1 C (g）W-0在2 C（h）W-0.5在2 C下循環(huán)100周后的SEM橫截面圖像（i）W-0在 1 C (j) W-0.5 在 1 C (k) W-0 在2 C  (l) W-0.5 在 2 C下的GPA分析

（3）前瞻

本文開發(fā)了一種通用的六價(jià)金屬陽離子誘導(dǎo)的三合一改性策略，通過增強(qiáng)高鎳正極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，來應(yīng)對(duì)高鎳材料在高倍率長(zhǎng)循環(huán)間的應(yīng)力累積。更重要的是，該策略不僅強(qiáng)化了材料表層的抗氧化性能，還深入揭示了高倍率下材料從表面到核心的漸進(jìn)性結(jié)構(gòu)變化。通過對(duì)不同充放電倍率下的失效機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)在高倍率循環(huán)中，高鎳正極內(nèi)部的應(yīng)力傳導(dǎo)與相變行為顯著影響其整體性能。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解高倍率條件下的材料退化機(jī)理提供了全新視角，同時(shí)也為未來調(diào)控材料性能的設(shè)計(jì)策略提供了科學(xué)依據(jù)。

Enhancing Chemomechanical Stability and High-Rate Performance of Nickel-Rich Cathodes for Lithium-Ion Batteries through Three-in-One ModificationDOI：10.1016/j.ensm.2024.103893關(guān)注【元能科技】微信公眾號(hào)，后臺(tái)回復(fù)關(guān)鍵詞 “文獻(xiàn)” 下載原文。

04 通訊作者簡(jiǎn)介

蘇岳鋒，北京理工大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，北理工重慶創(chuàng)新中心新材料院士中心平臺(tái)責(zé)任教授。2013年入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃”，資助領(lǐng)域?yàn)樾虏牧项I(lǐng)域。主要從事綠色二次電池及先進(jìn)能源材料的研究，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目2項(xiàng)，主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)課題1項(xiàng)，國(guó)際合作項(xiàng)目1項(xiàng)，參研973項(xiàng)目、“新能源汽車”重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等多項(xiàng)。以通訊作者身份在Advanced Materials，Nano Energy，Energy Storage Materials，Nano Letters，Journal of Materials Chemistry A 等刊物發(fā)表SCI論文90余篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利近60項(xiàng)，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

陳來，北京理工大學(xué)材料學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師，入選第四屆中國(guó)科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃、北京市科技新星計(jì)劃。目前主要從事鋰離子二次電池及其它電化學(xué)儲(chǔ)能材料與器件的研究，重點(diǎn)研究方向?yàn)殇囯x子電池用富鋰正極材料、高鎳正極材料及高比能鋰離子二次電池等。作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上及青年項(xiàng)目、宜賓市科技局揭榜掛帥項(xiàng)目等項(xiàng)目10余項(xiàng)；作為主研人員參與973計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”試點(diǎn)專項(xiàng)等項(xiàng)目。自2013年起在Advanced Materials，Advanced Energy Materials, Materials Today，Nano Energy等國(guó)際刊物發(fā)表SCI論文60余篇；受理國(guó)家發(fā)明及實(shí)用新型專利65項(xiàng)，已授權(quán)32項(xiàng)；出版專著3部。

董錦洋，北京理工大學(xué)材料學(xué)院博士后，合作導(dǎo)師為吳鋒院士。主要研究方向?yàn)殇囯x子電池正極材料改性和儲(chǔ)能電池加速老化失效分析。獲選國(guó)家資助博士后研究人員計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目、重慶市博士后研究項(xiàng)目特別資助等項(xiàng)目，作為主研人員參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、宜賓市科技局揭榜掛帥項(xiàng)目等項(xiàng)目。在Advanced Materials，Carbon Energy，Energy Storage Materials等國(guó)際刊物發(fā)表SCI論文20余篇；受理國(guó)家發(fā)明及實(shí)用新型專利20余項(xiàng)，已授權(quán)8項(xiàng)。

05 課題組介紹

課題組以吳鋒院士為學(xué)術(shù)帶頭人，團(tuán)隊(duì)隸屬于“環(huán)境科學(xué)與工程”北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和“動(dòng)力電池及化學(xué)能源材料”北京高等學(xué)校工程研究中心兩個(gè)主要從事綠色能源材料及材料電化學(xué)研究的省部級(jí)科研平臺(tái)。團(tuán)隊(duì)多年來一直從事綠色儲(chǔ)能材料的基礎(chǔ)研究以及相關(guān)電化學(xué)應(yīng)用體系的技術(shù)開發(fā)，在綠色二次電池體系的開發(fā)及相關(guān)材料的研究方面先后承擔(dān)了國(guó)家“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)重大項(xiàng)目，在相關(guān)領(lǐng)域積累了豐富的科研經(jīng)驗(yàn)。

06 課題組招聘

北京理工大學(xué)鄭州研究院先進(jìn)儲(chǔ)能材料團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為吳鋒院士，團(tuán)隊(duì)基于新能源材料基因測(cè)算與設(shè)計(jì)，結(jié)合智能探測(cè)技術(shù)，研究與開發(fā)高能量密度鋰離子電池、智能電池、固態(tài)二次電池等多種新體系電池；圍繞新能源智能汽車、先進(jìn)儲(chǔ)能以及能源互聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)景，開展智能電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用研究，開展電池加速老化、健康狀態(tài)評(píng)估和電池壽命預(yù)測(cè)研究。本平臺(tái)的建設(shè)將為北京理工大學(xué)雙一流學(xué)科（材料科學(xué)與工程學(xué)科）和戰(zhàn)略新興學(xué)科（儲(chǔ)能技術(shù)專業(yè)學(xué)科）建設(shè)提供有力支撐，并培養(yǎng)新能源和儲(chǔ)能領(lǐng)域的"高精尖缺"人才。

招聘方向：

1.鋰離子電池正極材料研究

2.固態(tài)化及固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)

3.電池用傳感器設(shè)計(jì)

4.電池材料及電極多尺度模擬仿真

5.儲(chǔ)能電池加速老化測(cè)試方法構(gòu)建及壽命預(yù)測(cè)

招聘要求：

1.擁護(hù)黨的路線方針政策，遵紀(jì)守法，具有良好的思想政治素質(zhì)和道德修養(yǎng)；

2.身心健康，具有良好的學(xué)術(shù)背景和一定的科研工作基礎(chǔ)，具有較好的學(xué)術(shù)發(fā)展?jié)摿Γ?/p>

3.年齡在35周歲以下（豫理博士后不超過30周歲），獲得博士學(xué)位一般不超過3年；

4.符合國(guó)家、學(xué)校招收博士后研究人員的其他要求。

崗位不僅待遇豐厚，還有多種地方政府人才支持政策。歡迎感興趣的伙伴將個(gè)人簡(jiǎn)歷（包括個(gè)人基本信息、學(xué)習(xí)工作經(jīng)歷、科研成果、獲獎(jiǎng)情況等）代表性成果及學(xué)術(shù)證明材料發(fā)至郵箱 chenlai@bit.edu.cn，并抄送郵箱lishan@bitzz.cn，郵件主題以“博士后應(yīng)聘+姓名+研究方向”命名。