在鋰離子電池技術日新月異的今天，正極材料的性能優化成為提升電池整體性能的關鍵。清華大學深圳國際研究生院與北京工業大學的研究團隊，通過一項創新的微觀結構工程策略，成功在高鎳正極材料中引入了鎢（W）元素，實現了材料容量與壽命的雙重飛躍，為鋰離子電池技術的發展開闢了新篇章。
高鎳層狀氧化物（NRLO）因其高理論容量和高工作電壓，在電動汽車和大規模能量存儲系統中展現出巨大潛力。然而，傳統的NRLOs材料在提高比能量方面面臨諸多挑戰：一是增加鎳含量雖然能提升容量，但是鎳含量過高易導致晶格不穩定性，進而降低電池的安全性；二是提高截止電壓雖能提取更多鋰離子，卻會觸發多相變，損害材料結構。在此背景下，研究團隊另闢蹊徑，通過引入鎢元素，實現了對NRLOs微觀結構的精細調控。
鎢是一種過渡金屬元素，在元素週期表中第六週期的VIB族。鎢在自然界主要呈六價陽離子，其離子半徑為0.68×10-10m。由於W6+離子半徑小，電價高，極化能力強，易形成絡陰離子，因此鎢主要以絡陰離子的形式[WO4]2-存在。
電池圖片
研究表明，鎢元素的引入顯著改變了NRLOs的微觀結構。首先，鎢的摻雜促進了具有一致自旋結構的尖晶石孿晶界的形成，這一結構創新有效降低了鋰離子的擴散勢壘，使得鋰離子在材料中的傳輸更為順暢，從而實現了更深層次的相變反應，提高了材料的容量利用率。其次，在正極材料的表面和晶界處，鎢的引入形成了緻密且均勻的LiWxOy相，這層保護膜不僅有效阻止了電解液對材料的侵蝕，還顯著延長了電池的迴圈壽命。
實驗資料顯示，鎢元素的引入使得高鎳層狀氧化物正極材料在首次迴圈中的可逆容量增加了14 mAh/g，這一顯著提升直接反映了材料結構優化的成效。更重要的是，通過微觀結構的精細調控，該材料在保持高容量的同時，也展現出了優異的迴圈穩定性。在200個迴圈後，材料依然能夠保持較高的可逆容量，證明了其在實際應用中的巨大潛力。
該研究成果已以“Unraveling Mechanism for Microstructure Engineering toward High-Capacity Nickel-Rich Cathode Materials”為題發表在wiley online library上。
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