常州大学任玉荣教授ESM文章：多位点吸附机制助力高镍正极材料构建稳定的界面化学
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文 章 信 息
多位点吸附机制助力高镍正极材料构建稳定的界面化学
通讯作者：任玉荣，常州大学
第一作者：汪仕杰，常州大学
研 究 背 景
锂离子电池(LIBs)在解决全球能源困境方面发挥着至关重要的作用。LiNi 0.83 Co 0.12 Mn 0.05 O 2 (NCM)高镍三元正极材料因其高能量密度，被认为是应用于高比能动力电池的最具潜力正极材料。然而，在电池长期循环过程中，界面腐蚀效应导致的晶体结构不稳定和表面结构恶化限制了 NCM 的性能。具体而言，高活性的Ni 4+ 和碳酸盐电解质发生有害的副反应，导致正极-电解质界面沉积过量副产物。同时，随着Ni 4+ 的还原，氧气从阴极释放出来并引发热失控。过渡金属离子溶解并沉积在负极上，严重危害阳极-电解质界面。
文 章 简 介
近日，来自 常州大学的任玉荣教授 ，在国际知名期刊 E nergy Storage Materials 上发表题为 “Multipoint adsorption constructs stable interface chemistry for high-nickel cathode material” 的研究文章。该文章提出双极性官能团吸附高镍三元正极材料活性多位点技术，在多晶NCM表面形成均匀的具有离子导电率的聚(α-氰基丙烯酸乙酯)(PECA)材料。通过PECA的双极性官能团与过渡金属配位作用，该保护涂层与高镍材料紧密接触并抑制材料表面的过渡金属离子溶解，减少活性材料与电解质界面之间的副反应，有效改善材料界面稳定性。同时，包覆材料表面丰富的官能团在循环过程中优先构建较薄的 CEI 膜，促进界面锂离子的快速传输。此外，完整和保形的涂层可以减轻一次颗粒的应力积累，避免颗粒破碎。
图1. NCM@PECA的合成示意图
本 文 要 点
要点一：原位表面修饰的结构和形貌
通过XRD测试发现PECA改性不会改变NCM的晶体结构。FT-IR，SEM和HR-TEM等表征证实了PECA均匀包覆在NCM的表面。
图2：NCM和NCM@PECA的结构和形貌表征
要点二：优异的电化学性能
PECA改性策略的扣式半电池在4.3 V和4.5 V截止电压下均表现出较好的容量保持率。另外，经PECA改性后，NCM的耐高温性能也得到明显改善。为了验证应用价值，我们组装了扣式全电池。NCM@PECA全电池在300次循环后，仍有80%的容量保持率。
图3：NCM和NCM@PECA的电化学性能
要点三：减少的界面副反应及DFT计算
通过DFT计算证明了ECA在高镍正极材料的吸附方式为氰基和镍配位，而酯基和附近的过渡金属配位，从而建立了ECA在过渡金属多位点的吸附结构。循环后的XPS测试证明了PECA修饰层可以有效保护正极材料，减少副产物沉积。
图4：NCM和NCM@PECA的DFT计算及XPS分析
要点四：较薄的CEI膜构建
通过电池循环后的TOF-SIMS和TEM测试发现PECA中的双极性官能团可以构建一个薄而致密的CEI膜，降低界面阻抗并提高锂离子扩散动力学。
图5：NCM和NCM@PECA的TOF-SIMS分析
要点五：增强的结构稳定性
PECA修饰策略可以抑制H 2 -H 3 的相变和晶格氧的释放，表现出较高的结构稳定性和稳定的正极-电解质界面。此外，通过ECA分子支链在分子间的作用下形成的交联网络结构能够均匀地分散外力，进而表现出一定的弹性。因此，该保形和完整的涂层有效减轻颗粒内部的机械应力积累，延缓结构退化。
图6：NCM和NCM@PECA的原位XRD，Fib-SEM和Fib-TEM分析
文 章 链 接
“Multipoint adsorption constructs stable interface chemistry for high-nickel cathode material”
https://pubs.acs.org/doi/10.1016/j.ensm.2023.103027
通 讯 作 者 简 介
任玉荣 教授简介：常州大学材料科学与工程学院院长，教授，博士生导师，入选江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科学技术带头人，江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象，江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人。2010年博士毕业于中国科学院成都有机化学研究所，曾赴美国加州大学洛杉矶分校做访问学者，主要从事储能材料与能源化学及高能电池的研究，相关结果以第一作者/通讯作者身份在Advanced Science，Small，Chemical Engineering Journal等期刊发表SCI论文120余篇，授权发明专利17件，出版专著1部，获得省部级科技进步奖6项。
第 一 作 者 简 介
汪仕杰 ：现为常州大学材料科学与工程学院博士研究生，导师为任玉荣教授。主要从事锂离子电池能源材料的改性研究，以第一作者身份在材料导报，Vacuum期刊发表SCI论文。
课 题 组 介 绍
江苏省高校新能源材料与动力电池团队依托“江苏省新能源汽车动力电池制造技术工程研究中心”和“常州新能源研究院”组建，由常州大学任玉荣教授创建并领导。团队主要从事储能材料与能源化学及高能电池的研究，针对钠、锂等无机材料的化学能/电能储存与转化所存在的反应活性低、动力学缓慢、物质输运和电荷传递受限等科学与技术难题，开展能量高效储存与转化探索研究，通过化学、纳米和能源的交叉学科研究，探索使用新材料，来提升能量转化效率与能量储存密度，从而优化电池效能。截至目前，实验室已承担包括区域重点项目、重大研究计划在内的多项国家自然科学基金项目以及其他多项省部级项目。
课 题 组 招 聘
课题组欢迎广大优秀青年人才加入，同时欢迎报考本课题组的硕士和博士研究生。
研究方向：
二次储能电池（锂离子电池、钠离子电池）、电催化、固态电解质以及基于上述方向的计算和模拟
具体岗位、应聘条件及薪资待遇按照常州大学统一规定执行。
联系方式：
申请者请将个人简历以及可以证明本人研究能力的相关材料通过邮箱发送到ryrchem@cczu.edu.cn（任玉荣）
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