【摘要】 x射线衍射可以作为成分微均匀性的直接定量测量，可以高度预测NMC性能。

正极材料是锂离子电池（LIB）的关键组成部分，对锂离子电池的整体成本和环境影响有重要贡献这是制造正极材料的原料和合成方法的结果。自20世纪90年代锂离子电池问世以来，LiCoO2 （LCO）一直是一种广泛使用的正极材料，并将继续广泛应用于高能量密度的锂离子电池中。

 

然而，LiNixMnyCozO2 （NMC）型阴极由于其更有利的热稳定性和更低的成本，在许多应用中取代了LCO，使NMC成为锂离子电池中应用最广泛的阴极。然而，NMC的成本和环境影响仍然很高。为了降低NMC成本，已经做出了许多努力。这包括降低钴含量，因为钴是NMC中最昂贵的成分。其他策略侧重于降低合成成本，因为目前用于制备NMC的方法约占其成本的一半，而且对环境有重大影响。

 

目前，商业化的NMC采用基于溶液的共沉淀工艺，其中混合过渡金属氢氧化物或碳酸盐前体从水金属硫酸盐溶液中共沉淀。这提供了具有原子级过渡金属离子混合的前驱体，因此在最终的NMC阴极产品中可以实现高度的成分均匀性，这是通过在空气或O2中加热混合金属前驱体与锂源（例如Li2CO3或LiOH）制成的。最近，Mohammad H. Tahmasebi等人1报道了用传统的磨削和加热方法可以合成晶体[Ni, Mn, Co]O RS相然而，与商业氢氧化物前驱体相比，由晶体RS前驱体制成的NMC具有较差的电化学性能在本研究中，发现晶体RS前驱体在微米尺度上的成分均匀性（即其成分微均匀性）与最终NMC的成分微均匀性直接相关，并进一步发现其容量衰减和极化直接相关。表明，x射线衍射可以作为成分微均匀性的直接定量测量，可以高度预测NMC性能。该研究开发的方法对于使用x射线衍射作为快速评价NMC和其他阴极材料及其前驱体的工具具有很高的价值;并为开发新的阴极合成路线。

图1 （a）不同研磨时间制备的单相rs前驱体的XRD谱图。（b） （a）中还显示了由HP前驱体（RS-HP）合成的rs前驱体的XRD图，以供比较。（c）晶格常数（σa）和成分（σx）的标准差随研磨时间的变化。

 

图2 不同研磨时间制备的RS前驱体和HP前驱体制备的rs前驱体在不同放大倍数下的SEM图像。

 

混合金属氢氧化物或碳酸盐前驱体的另一个优点是它们的开放式结构，可以在加热步骤中实现快速的锂化动力学，从而最大限度地减少加热时间，从而也最大限度地减少加热步骤中通过蒸发损失的锂量。尽管有这些优点，但共沉淀是一种复杂的方法，涉及许多工艺步骤。由于部分沉淀物以细颗粒的形式流失，它也会产生大量的废水，而且产量不是100%近年来，干法和固态法作为共沉淀法的替代合成方法得到了广泛的研究。这些技术可以通过减少处理步骤数量、使用成本较低的原材料、增加最终NMC产品成分的灵活性、提高产量和消除废水的产生来降低成本和环境影响。使用岩盐前驱体的NMC正极材料的全干合成，之前由Zheng等人报道过，其中已经表明，在球磨Ni, Mn和Co氧化物混合物的过程中，通过机械化学反应可以形成纳米晶岩盐（RS）固溶体。然而，这种方法会导致研磨介质中的铁污染，从而对NMC的电化学性能产生不利影响。

 

1.Tahmasebi, M. H.; Obrovac, M. N., Quantitative Measurement of Compositional Inhomogeneity in NMC Cathodes by X-ray Diffraction. J. Electrochem. Soc. 2023, 170 （8）, 080519.

 

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