科学探索|“锂电池之父”新发明：涂层和取代相结合解决了40年的难题( 二 ) “锂电池之父”新发明：涂层

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散裂中子源（SNS）使用基于加速器的系统来产生中子（图自：DOE）
中子粉末衍射具有深入渗透材料的能力以及区分过渡金属 (TM) 元素和检测轻元素的高灵敏度。用于揭示可能的 Nb 位点占有率，研究人员考虑了三个可能的 Nb 占用位点：Nb 占据 Li 位置；Nb 占据 Li 位点，还原一些过渡金属氧化态；Nb占据过渡金属位置。
研究表明：NMC 阶段的细化表明 Nb 最有可能在 NMC 811 中的 TM 位点上替代。这与中子衍射结果的一致。细化与 Li3NbO4 中 48% 的 Nb 被 Mn 取代的模型一致。因此，Nb 最有可能占据过渡金属位置，取代一些 Mn 。
接着通过 SEM 和 TEM 技术，对 Nb 改性的 NMC 811 从 400 ~ 800 C °C 烧结的形态和成分进行了表征分析。

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图2：Nb 改性的 NMC 811 从 400 ~ 800 C °C 烧结的形态和成分通过 SEM 和 TEM 技术表征。（来源：论文）
研究表明：Nb 取代材料在 250 次循环后具有 93.2% 的容量保持率，其次是涂层样品的 88.2% 和未处理的 811 的 83.4% 。Nb 取代有助于稳定晶格的主体以防止结构变化，而 Nb 涂层增加了初始容量。
“电化学性能和结构稳定性的提高使 Nb 改性 NMC 811 成为用于高能量密度电动汽车的潜在正极材料。” Whittingham 说，“将涂层和取代相结合可能是增加初始容量和提高容量保持率的更好方法。使用目前的 NMC 多步制造工艺，可以轻松地按比例放大这种结构的修改。”
Whittingham 补充说，“这项研究支持 Battery500 联盟的目标，这是一个由能源部太平洋西北国家实验室为能源效率和可再生能源办公室领导的多机构计划。该计划致力于开发下一代锂金属电池，每公斤可提供高达 500 瓦时的电量，而目前平均每公斤约为 220 瓦时。”