北京大学发现微波“靶向”快速制备锂电池层状材料机理

近日，北京大学深研院新材料学院潘锋教授课题组和美国国家同步辐射光源NSLS II白健明教授、Brookhaven国家实验室王峰教授、美国陆军实验室许康教授合作，开发了一种全新高效的微波水热合成方法。

材料合成是现代材料科学的基石，而如何在很短时间尺度内高效制备出具有特定结构的材料长久以来一直是材料科学家追求的目标。众所周知，绝大多数合成反应都需要从外部获取能量来克服反应势垒，而传统的能量供给方式包括燃烧和电加热等，这些方式主要通过热传导将能量从热源传递给制备的环境，再由环境传递到目标反应物，因此该传递过程中由于热振动的无序性会造成能量的大量浪费，且会引入各自副反应。理想的能量传递方式应该是具有“靶向”性的，可以精确使得目标反应物直接接受从发射源的能量引发精准快速化学反应，实现能量的有效利用。

以三元Li(NI/Co/Mn)O2为代表的层状氧化物锂电池正极材料，具有独特的锂离子夹层化学特性，已成为目前锂离子电池中最重要的正极材料体系。当前，无论是产业界还是实验室，广泛采用高温固相法作为合成层状氧化物正极材料的主流方。这一方法需要在750-1000℃的高温下进行长时间的烧结（>10小时），往往带来巨大的能耗、环境污染等问题，并造成较高的生成成本。因此，开发新型的低能耗、快速的合成方法，对于降低锂锂离子电池的生成成本、激发未来的储能市场都具有重要的意义。


近日，北京大学深研院新材料学院潘锋教授课题组和美国国家同步辐射光源NSLS II白健明教授、Brookhaven国家实验室王峰教授、美国陆军实验室许康教授合作，开发了一种全新高效的微波水热合成方法。如图1所示，通过原位同步辐射XRD追踪了层状正极材料Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC333)的微波水热合成过程，发现氢氧化物前驱体在160 ℃的低温下极短时间内（4分钟）就转变为层状氧化物产物。通过与原位固相合成实验、原位水热合成实验进行对比，发现了微波水热的反应速率（1.819 min-1）比固相合成（0.091 min-1）和水热合成（0.096 min-1）大一个数量级。通过进一步的原位实验详细分析了反应中各组分的微波吸收能力，成功揭示了超快微波合成背后的靶向能量传输引发化学反应的机理：微波能量可以通过与极化分子水合锂离子及带有未成对自旋电子的过渡金属离子的共振相互作用，精确地将能量传递到反应物中，提升反应物的内部动能而对环境反应温度影响不大，从而加快了固液界面处的锂离子插入速率和晶体的相结构演化，最终实现了层状正极材料的低温快速合成。该工作近日发表在Science子刊Science Advances（DOI：10.1126/sciadv.abd9472，影响因子为13.116）上。


该工作是在新材料学院潘锋教授、美国国家同步辐射光源NSLS II白健明教授、美国Brookhaven国家实验室王峰教授和美国陆军实验室许康教授的共同指导下，由第一作者研究员张明建及相关人员共同努力一起完成。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省创新团队项目的大力支持。图片（来源：北京大学新材料学院）