三星电子Nat. Commun.:充放电过程中锂浓度梯度的演变和扩展
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发布时间：2024-10-16 05:01
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时间：2024-11-01 21:10
通讯作者：Byeong-Gyu Chae
通讯单位：韩国三星电子有限公司
研究背景
可充电锂离子电池(LIBs)的使用在现代电子设备和大型储能系统中迅速增长，对提高容量、充电速度、寿命和安全性性能的需求推动了LIBs正极材料研究。尽管对过渡金属(TMs)和氧原子的观察促进了工作/降解机制的理解，但缺乏直接分析锂离子分布的技术。
成果简介
韩国三星电子有限公司的Byeong-Gyu Chae等人通过结合扫描透射电子显微镜(STEM)和原子探针断层扫描(ATP)，揭示了局部锂成分的演变和结构变化在原子尺度上导致了Li(Ni0.80Co0.15Mn0.05)O2 (NCM)正极的容量衰减。研究指出循环过程中锂浓度梯度的变化，并表明梯度深度随循环次数呈比例扩大。进一步研究显示结构无序程度影响容纳锂离子的能力。
核心内容
要点1：容量衰减与锂位置状态直接相关
通过测试循环过程中的容量衰减与整体和局部锂损失的关系，研究显示电池循环后锂从正极大量流失，锂浓度急剧下降，与电池容量衰减直接相关。
要点2：Li浓度梯度的演变与扩展
经过循环的NCM中Li分布与原始和形成状态显著不同，锂浓度梯度沿径向变化，并且随着循环次数增加，梯度区域扩大。容量衰减与锂浓度梯度的深度相关。
要点3：结构无序与Li浓度梯度起源
使用STEM和APT分析揭示了微观结构变化与Li浓度梯度演变的关系。原始NCM中Li分布均匀，而经过循环后出现明显变化，表明结构无序与锂容纳能力降低有关。
要点4：层状结构中的Li
充电过程中TMs易于移动到Li层中，形成无序结构，导致放电过程中锂容纳位点丢失。循环后Li浓度梯度发展，从表面到中心逐渐增加。
要点5：Li的非均匀分布
APT分析显示局部Li富集区域存在，与晶体缺陷形状一致。尽管容量下降主要由锂浓度梯度引起的Li不足导致，但局部Li分布不均可能加剧这一过程。
总结
通过APT分析NCM正极材料，揭示了充放电循环后沿径向的Li浓度梯度演变和梯度深度增加，与电池容量衰减相关。研究强调了局部锂缺乏源于锂容纳位点减少，并提出抑制循环过程中锂容纳位点减少是提高锂离子电池循环寿命的策略。
