镍富集NMC锂离子电池正极材料中过渡金属比例调控对结构性能的影响机制研究

为解决钴资源稀缺和价格波动对锂离子电池产业的影响，研究人员通过氢氧化物共沉淀法合成不同过渡金属比例（Ni≥0.8）的镍富集Li[Nix Coy Mnz ]O2 正极材料，系统分析其晶体结构、形貌及电化学性能。结果表明，钴含量微调对材料性能影响有限，为低钴电极开发提供实验依据，但较低煅烧温度导致结晶度不足，需进一步优化工艺。

　　

研究背景与意义

随着全球电动汽车市场爆发式增长，锂离子电池（LIBs）需求激增，但传统钴基正极材料面临资源短缺和价格波动的双重挑战。镍富集层状氧化物Li[Ni_x
Co_y
Mn_z
]O₂
（NMC，x≥0.8）因其高比容量被视为下一代正极候选，但高镍含量易引发结构畸变和容量衰减。如何平衡低钴化与材料稳定性，成为产业界与学术界的核心难题。

研究方法与技术路线

研究人员采用连续搅拌釜反应器（CSTR）氢氧化物共沉淀法，合成三种过渡金属比例（NMC811、NMC90505、NM91）的前驱体，经700℃煅烧8小时获得最终材料。通过扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）和粒度分析（PSD）表征物化性质，结合电化学阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）评估电化学行为，最终通过恒流充放电测试验证实际性能。

研究结果

1. 材料形貌与结构特性
SEM显示所有样品呈二次球形貌，粒径约5.6μm，但NM91粒径分布最宽。XRD证实材料属于R³
m空间群，但I₍₀₀₃₎
/I₍₁₀₄₎
比值仅NMC811超过1.2阈值，表明钴含量降低会加剧阳离子混排（Ni²⁺
占据Li⁺
位点）。

2. 电化学性能
EIS显示NM91电荷转移电阻（R_ct
=26.3Ω）最低，但CV测试中所有材料均表现出显著极化现象。100次循环后，NMC90505容量保持率最高（76.4%），但整体性能低于文献值，归因于煅烧温度不足导致的结晶缺陷。

3. 组分-性能关联性
尽管钴含量差异未引发显著性能梯度，但钴的完全缺失（NM91）导致I₍₀₀₃₎
/I₍₁₀₄₎
比值降至1.02，印证钴对层状结构稳定的关键作用。

结论与展望

该研究揭示了镍富集NMC材料在温和煅烧条件下的性能瓶颈，强调优化煅烧制度（如提高温度至750-950℃）的必要性。虽然低钴化未显著损害材料基础性能，但完全无钴配方仍需结构修饰以抑制阳离子混排。成果为开发低成本高镍正极提供了工艺优化方向，相关成果发表于《Results in Materials》。