近年来，在“双碳战略”的大背景下，电动汽车、储能电网和消费电子等领域对高能量密度、长寿命锂电池提出了更高需求。超高镍单晶层状氧化物，因其潜在的高能量密度和高稳定性优势，是有望实现商业化的下一代锂电正极材料之一。然而，超高镍单晶正极材料的实用化面临两大主要挑战：尺寸效应导致的锂离子扩散动力学不足以及高镍含量导致的正极/电解液界面恶化问题。锂离子扩散动力学不足严重限制了超高镍单晶比容量的发挥，而界面副反应、过渡金属溶解和表面结构退化等则显著缩短了材料的使役寿命。发展原子尺度晶体结构调控新策略，实现正极材料的结构—性能优化设计，是解决以上挑战的主要途径之一。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部研究人员与北京大学合作，在高性能锂电正极材料的设计制备及构效关系研究方面取得了重要突破，通过发展“表面高熵化”包覆新策略，在超高镍单晶正极材料中实现了表面高熵岩盐相的构筑，从而显著提升了其电化学循环稳定性与使役寿命。该研究成果以“High-Entropy Rock-Salt Surface Layer Stabilizes the Ultrahigh-Ni Single-Crystal Cathode”为题发表于美国化学会期刊《ACS Nano》。
研究人员发展了一种基于鲍林电中性规则的“表面高熵化”策略。通过原位反应将诱发镍变价的锆、增强键能的铝引入超高镍单晶LiNi0.92Co0.05Mn0.03O2表面，从而实现晶格外延的高熵岩盐层构筑。电化学测试、理化性质分析和理论计算结果表明，“表面高熵化”具有以下两方面作用：1.抑制晶格氧损失、减轻界面副反应和减少电解液分解；2.增强锂离子扩散动力学、稳定H2-H3相变并抑制有害相变。由于动力学性能和界面稳定性的提高，该材料不仅展现出更高的可逆容量，而且在高温、高截止电压和超快充等极端条件下展现出使役寿命和快充性能的提升。例如，经过600次循环，“表面高熵化”的超高镍单晶容量保持率高达87%。该研究为提升超高镍单晶材料的能量密度和使役寿命提供了创新性的解决方案。
金属所沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部谭兴华副研究员为该研究的主要完成人和共同通讯作者，金属所与北京大学为共同通讯单位。王春阳研究员对该研究提供了指导与帮助。
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图1.“表面高熵化”构建过程及性能优化机理
图2. 超高镍单晶材料的电化学性能分析
图3. 界面稳定性分析
图4. 锂离子传输动力学性能分析
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