通过合理设计实现低钴高性能锂离子电池

湖南大学的研究人员设计了一种用于可充电锂离子电池的层状氧化物阴极，该阴极仅使用极少量的钴即可实现快速充电性能、长寿命和高安全性。该研究发表在《国家科学开放》杂志上。

近年来，锂离子二次电池在全球电动汽车的快速增长中发挥了至关重要的作用。通常，锂离子电池阴极含有钴以确保快​​速充电能力。然而，钴的需求激增及其有限的供应大大增加了锂离子电池材料的成本。主要挑战是减少钴的使用量，同时保持快速充电性能。

针对这一问题，研究人员通过优化钴在高镍层状氧化物正极颗粒中的分布，合成了由坚固的导电保护层、梯度锂离子导电层和稳定的体相组成的合理结构。分析表明，坚固的导电保护层、梯度锂离子导电层显著提高了材料的离子和电子电导率，使得该结构在极低的钴含量下仍展现出优异的倍率性能(快速充电)。此外，适度阳离子混合的体相和表面导电保护层有效保证了材料的稳定性，获得了良好的循环稳定性和安全性。电池性能方面，设计的正极在倍率性能(5 C)上提高了一倍，在全电池高电压下经过300次循环后容量保留率为90.4%。这些优势表明设计的正极具有巨大的实际应用潜力。

“我们的研究提供了强有力的证据，表明合理的结构设计可以显著降低钴含量，同时保持电池的高倍率性能和长寿命，”该研究的资深作者、湖南大学的卢教授说。“这为开发低成本、高性能的锂离子电池材料提供了新的见解。”

此外，对于结构稳定性好但动力学性能差的正极材料，研究表明同时设计表面晶体结构和体相是保证以较低成本获得优异电化学性能的有效方法。

本研究得到国家自然科学基金的资助，更多详细信息请参阅最新一期的《国家科学开放期刊》。