深圳研究生院潘锋团队开发高性能的三元锂电池正极材料

深圳研究生院潘锋团队开发高性能的三元锂电池正极材料

随着人们对新能源汽车续航里程要求的不断提高，超高镍三元单晶正极材料因其高能量密度而成为下一代锂离子电池的重要候选材料。然而，这类材料在实际应用中面临着界面离子传输缓慢和副反应严重等问题。近日，深圳研究生院新材料学院潘锋团队提出了一种创新解决方案，在超高镍单晶表面预构界面富质子层，通过电化学原位转换为致密无机保护膜，显著提升了电池的循环稳定性。

图1 界面富质子层的原位转化机制

近日，深圳研究生院新材料学院潘锋团队通过在超高镍单晶表面预构界面富质子层，并通过电化学原位转换为界面致密无机保护膜，成功提升了锂电池的循环稳定性（图1）。团队利用原位电化学红外、原位电化学紫外、高分辨飞行时间二次离子质谱以及冷冻透射电镜等技术，详细揭示了富质子层在首次电化学过程中的动态电化学分解过程，并展示了其被LiPF6捕捉转化为亚纳米级LiF和Li3PO4界面膜的全过程。在该致密界面膜的作用下，电池长循环过程中的界面副反应明显降低，并展现出优异的循环性能（800圈后容量保持率超过83%）。

最后，研究团队通过球差电镜以及飞行时间二次离子质谱等手段，深入探讨了富质子包覆层的作用机制。结果表明，人工界面质子层的作用机制可归纳为“局部富集”和“致密”两大关键因素。富质子层在空间属性上的均匀性和界面富集性，使得亚纳米氟磷层能够在首次电化学过程中原位成核/生长，显著抑制了后续长循环中正极材料与有机电解液的相互作用。相比之下，电解液中的自由质子由于空间分布呈现出随机性，导致界面反应层呈岛状分布，保护作用较为有限（图2）。

这项研究不仅提出了一种界面层原位重构策略，还揭示了表面富集和致密性在质子利用中的关键作用。相关研究成果以"In Situ Conversion of Artificial Proton-Rich Shell to Inorganic Maskant Toward Stable Single-Crystal Ni-Rich Cathode"为题，发表于国际材料知名期刊Advanced Materials上。

图2 有、无界面富质子壳的材料的界面结构演化对比