原位中子衍射：量化超高镍正极反位缺陷动态演化 | 进展

汽车工业的快速电气化对锂离子电池的能量密度和成本提出了更高的要求。超高镍（Ni≥ 0.9）层状氧化物正极材料以其卓越的能量密度和成本效益，成为目前极具前景的动力电池正极材料。然而，超高镍正极材料Ni含量的提升也加重了Li-Ni反位缺陷问题。同时，反位在TM层中的Li会形成Li−O−Li构型，易触发（高电压）阴离子氧化还原反应。到目前为止，Li-Ni反位缺陷的动态演化，以及其与高电压阴离子氧化还原之间的耦合关系尚未得到实验量化。

基于此，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心珠三角研究部赵金奎研究员联合松山湖材料实验室赵恩岳副研究员，利用原位工况中子衍射技术定量分析了LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2（NCM90）材料中Li-Ni反位缺陷的动态演化过程。与X射线和电子相比，中子对Li、O等轻质元素更为敏感，并且能够区分Ni、Mn、Co等近邻过渡金属元素。结合原位电化学样品环境，中子衍射可以精确地量化与氧晶格相关的过渡金属迁移和动态结构演变。此外，为避免6Li同位素对中子的吸收，同时提高中子衍射数据质量，研究人员选用7Li同位素锂源合成了用于原位中子衍射测量的样品。

原位中子衍射结果表明，阴离子氧化还原反应过程伴随着明显的Ni迁移（由TM层迁移至Li层），这为Li-Ni反位缺陷与阴离子氧化还原之间的相互作用提供了强有力的证据。同时，研究还发现Li-Ni反位缺陷促进了阴离子氧化还原反应，阴离子氧化还原反应反过来进一步加剧了Li-Ni反位缺陷。基于此，提出了降低材料本征反位缺陷及抑制循环过程中Ni动态迁移来稳定材料高电压储锂结构的策略。进一步，研究人员引入多种不同电子结构的元素，发现Mg在降低Li-Ni反位缺陷方面展现出较大的优势。Mg的引入不仅降低了本征Li-Ni反位缺陷，进一步减少了Li-O-Li构型的数量，同时TM层中Mg的引入还形成了Li-O-Mg构型，相对于Li-O-Li构型，触发Li-O-Mg构型中的阴离子氧化还原反应需要更高的充电电压。因此，经Mg掺杂改性后的超高镍材料实现了优异的高电压储锂结构稳定性。

本工作原位中子衍射实验在中国散裂中子源（CSNS）完成，同时受到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、中国博士后科学基金和松山湖大科学装置开放课题和中国科学院的支持。文章第一作者吴康，通讯作者赵金奎，赵恩岳。本工作以“Dynamic Evolution of Antisite Defect and Coupling Anionic Redox in High-Voltage Ultrahigh-Ni Cathode”为题，发表在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，同时被期刊编辑部选为Very Important Paper（Top 5%）。文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202410326

图 超高镍正极原位中子衍射及反位缺陷结构影响示意图

编辑：凉渐

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.