高被引科学家丨李宝华：脚踏实地才是通向成功的唯一道路

学者名片

李宝华，清华大学深圳国际研究生院材料研究院副院长。国家先进电池材料产业集群负责人，工信部工业节能与绿色评价中心主任，炭功能材料国家地方联合工程实验室副主任，材料与器件检测技术中心主任；科睿唯安全球“高被引科学家”。

研究成果介绍

【背景介绍】

多晶高镍层状过渡金属氧化物 (NRLO) 是商用锂离子电池中很有前途的正极，尤其是应用于电动汽车市场。然而，它们由于沿晶界形成微/纳米裂纹而遭受严重的结构退化，并且由于高 Ni3+/4+ 反应性导致严重的电化学性能退化。尽管掺杂和涂层策略已被证明可以有效地延缓损伤的发生，但它们无法克服固有的结构退化。然而，对NRLO进行微观和纳米结构修饰可以直接克服它们的内在降解。

【成果简介】

清华大学深圳国际研究生院李宝华教授团队从NRLO微观结构到最终电池性能的构效关系出发。系统地阐明和总结了 NRLO 中各种微观结构的最新进展，包括核壳结构、异质结构以及初级颗粒为等轴或径向伸长的结构。详细讨论了它们相应的合成策略、形成和改性机制。最后，提出了微纳米结构改性NRLOs的未来发展前景，以促进其大规模应用。该综述以“Micro- and nano-structural design strategies towards polycrystalline nickel-rich layered cathode materials”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

【图文导读】

图1.多晶 NRLO 的常见微纳米结构及其相应的合成方法

多晶NRLOs 的微纳结构设计进展

根据初级和次级粒子/晶粒的物理形态和化学组成，NRLOs可分为几类，包括初级粒子中的等轴或径向伸长结构、核壳结构、异质结构和其他结构。如图2所示，系统地总结了具有不同微纳结构的NRLOs发展历程。

图2.多晶 NRLO 的微米和纳米结构设计进展的简要年表

具有不同微观和纳米结构的多晶 NRLO 的制备

迄今为止，对NRLO正极材料的研究大多集中在由一次等轴晶粒组成的二次球形颗粒上。等轴晶的形貌与共沉淀过程中的合成条件密切相关。

此外，等轴晶粒的尺寸受锂化过程的温度和时间的严格控制。当温度和锂化时间增加时，初级颗粒尺寸逐渐增大（图 3a），导致次级颗粒固结和粗化，最终电池性能下降。NRLOs 材料在循环过程中通常会遇到一些挑战，例如相变、晶格氧析、与电解液的表面副反应等，都会导致容量迅速下降。随着Ni含量的增加，问题变得更加严重。目前已有一些方法对上述问题进行修改，并取得了一定的成果。

图3.各种锂化条件下的颗粒形态和过渡金属元素的分布。[Ni0.96Co0.04](OH)2 前体、Li[Ni0.95Co0.04Al0.01]O2 (NCA95) 和 Li[Ni0.95Co0.04Mo0.01]O2 (NCMo95) 正极颗粒的横截面 SEM 图像(a) 在 700、750 和 800 °C 下锂化 10 小时，(b) 在 700 1C 下锂化 10、30 和 60 小时。(b) Sr 掺杂前后键长（Ni-O 和 Li-O 键）和层间距（O-Li-O 和 O-TM-O 平板）的变化。(c) 2.7–4.3 V 电压范围内 1 C 的循环性能。(d) 注入 CoxB 的 NCM 的涂层加注入微结构。(e) CoxB–NCM/Gr 和原始 NCM/Gr 全电池在 1.0 C 和 25 °C 2.8-4.3 V 范围内的循环性能。插图：组装好的软包电池的照片。

图4. (a) 微型核壳结构Li[(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1-x(Ni0.5Mn0.5)x]O2形成过程示意图。(b) 具有高镍核的 CSG 颗粒的示意图，其周围环绕着成分分隔外层。(c) CC90 和 CSG90 的 c 轴晶格参数作为正极中锂含量的函数。(d) 在 H2→H3 相变期间它们的 c 轴晶格参数的变化以及作用在由突然体积收缩引起的混合结构正极颗粒上的微应变示意图。(e) 在 HS-NCMA90 中通过微应变控制抑制微裂纹传播的示意图。

图5. (a) 层状锂金属氧化物正极和 (010) 面、(100) 面和 (001) 面的晶体结构。(b) 多晶 NRLOs 正极的其他结构。图片如下：“纳米砖结构”“玉米状结构”经许可转载。“管状结构”“核壳空心结构”“纳米片结构” “纳米棒结构”(c) NH3对高镍层状结构正极材料生长行为的影响示意图。

【总结与展望】

总的来说，NRLOs 已经发展了各种微观结构，包括等轴结构、径向伸长结构、核壳结构、异质结构和其他结构。微观结构修饰从根本上解决了正极材料在长循环后的结构稳定性问题，并在一定程度上显着提高了NRLOs的电化学性能。随着正极材料的不断发展，微结构改性将成为重要的改性策略。但同时，不同结构的优缺点限制了其在特定范围内的应用。因此，为了大规模推广微结构改性的应用，需要解决几个问题，如图16所示。

不同微结构在容量、循环、倍率性能、热稳定性、高压容量和成本方面的评估示意图以及 NRLO 微结构的未来发展策略

人物介绍

工作教育经历

2019年-至今，任清华大学深圳国际研究生院教授；

2014年-2019年，任清华大学深圳研究生院教授 ；

2007年-2014年，任清华大学深圳研究生院 副研究员；

2004年-2007年，任清华大学深圳研究生院 讲师；

2002年-2004年，于清华大学深圳研究生院 从事博士后工作；

1997年-2002年，获得中国科学院山西煤炭化学研究所化学工艺专业博士学位；

1993年-1997年，山东工业大学化学工程专业，本科。

研究方向

主要从事新型炭材料、锂离子电池和锂硫电池等能源材料与器件及电池回收技术等方向研究工作

学术论著

在新型炭材料、Carbon、Journal of Power Sources、Science、Nature Communications、Angewandte Chemie-international Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials等国内外SCI发表论文380余篇，SCI引用近20000次，ESI高被引用论文29篇，H因子76；在 Web of Science中的出版物共有437篇，H指数90，总被引频次28000余次，获得2020年、2021年、2022年科睿唯安全球“高被引科学家”称号（材料科学、交叉学科）。

近期代表作

[1].Junru Wu，Xianshu Wang, Qi Liu, Shuwei Wang, Dong Zhou*, Feiyu Kang, Devaraj Shanmukaraj, Michel Armand*, Teofilo Rojo, Baohua Li*, Guoxiu Wang*, A synergistic exploitation to produce high-voltage quasi-solid-state lithium metal batteries. Nature Communications, 2021, 12, 5746.

[2].Xianshu Wang, Shuwei Wang, Huirong Wang, Wenqiang Tu, Yun Zhao, Song Li, Qi Liu, Junru Wu, Yongzhu Fu, Cuiping Han*, Feiyu Kang, and Baohua Li*, Hybrid electrolyte with dual-anion aggregated solvation sheath for stabilizing high Voltage lithium metal batteries.Advanced Materials, 2021.

[3].Xianshu Wang, Shuwei Wang, Huirong Wang, Wenqiang Tu, Yun Zhao, Song Li, Qi Liu, Junru Wu, Yongzhu Fu, Cuiping Han*, Feiyu Kang, and Baohua Li*, Hybrid electrolyte with dual-anion aggregated solvation sheath for stabilizing high Voltage lithium metal batteries.Advanced Materials, 2021.

[4].Chenglong Zhao, Qidi Wang, Zhenpeng Yao, Jianlin Wang, Benjamín Sánchez-Lengeling, Yaxiang Lu*, Xuedong Bai, Baohua Li, Hong Li, Alán Aspuru-Guzik*, Xuejie Huang, Claude Delmas*, Marnix Wagemaker*, Liquan Chen, Yongsheng Hu*,Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries.Science, 2020, 370, 708.

[5].Lihan Zhang, Xianying Qin*, Shiqiang Zhao, Aurelia Wang, Jun Luo, Zhong Lin Wang, Feiyu Kang, Zhiqun Lin*, Baohua Li*, Advanced matrixes for binder‐free nanostructured electrodes in lithium-ion batteries. Advanced Materials, 2020, 32, 1908445.

[6].Dongqing Liu, Zulipiya Shadike, Ruoqian Lin, Kun Qian, Hai Li, Kaikai Li, Shuwei Wang, Qipeng Yu, Ming Liu, Swapna Ganapathy, Xianying Qin, QuanHong Yang, Marnix Wagemaker*, Feiyu Kang, Xiao‐Qing Yang*, Baohua Li*, Review of recent development of in situ/operando characterization techniques for lithium battery research. Advanced Materials, 2019, 31,1806620.

[7].Xiaofu Xu, Dong Zhou, Xianying Qin, Kui Lin, Feiyu Kang, Baohua Li*, Devaraj Shanmukaraj, Teofilo Rojo, Michel Armand*, Guoxiu Wang*, A room-temperature sodium-sulfur battery with high capacity and stable cycling performance.Nature Communications, 2018, 9, 3870.

[8].Qingwen Lu, Yanbing He, Qipeng Yu, Baohua Li*, Yusuf Valentino Kaneti, Youwei Yao, Feiyu Kang, Quanhong Yang*, Dendrite-free, high-rate, long-life lithium metal batteries with a 3D cross-linked network polymer electrolyte. Advanced Materials, 2017, 1604460.

[9].Tianhong Zhou, Wei Lv*, Jia Li, Guangmin Zhou, Yan Zhao, Shaoxun Fan, Bilu Liu, Baohua Li*, Feiyu Kang, Quanhong Yang*, Twinborn TiO2-TiN hetero structures enabling smooth trapping-diffusion-conversion of polysulfides towards ultralong life lithium-sulfur batteries. Energy & Environmental Science, 2017, 10, 1694-1703.

[10].Baohua Li, Cuiping Han, Yanbing He, Cheng Yang, Hongda Du, Quanhong Yang*, Feiyu Kang*, Facile synthesis of Li4Ti5O12/C composite with super rate performance. Energy & Environmental Science, 2012, 5, 9595-9602.