颗粒开裂等机械完整性问题被认为是导致锂离子电池富镍正极材料结构恶化和长期循环稳定性较差的主要原因之一。事实上，裂缝形成产生的有害影响还没有完全解决。

近日，阿贡国家实验室Khalil Amine，陆俊教授，Jianguo Wen报道了系统研究了Co、Mn对富镍（Ni）正极力学性能的影响，通过合理的浓度梯度设计来调节颗粒的机械稳定性，成功地解决了富镍（Ni）正极颗粒开裂的问题。

文章要点

1）先前的浓度梯度NMC正极主要考虑Ni含量由体到表面的变化，而这里通过控制Mn和Co的成分来研究它们各自的力学性能，并在不牺牲电极容量的情况下实现机械稳定性。

2）基于两种相反组成设计的比较研究，研究人员证明了具有Co富集表面的梯度正极表现出优于具有Mn富集表面正极的综合优势。先进的原位XRD和非原位形貌测量结果显示，富含Co的表面受益于其较低的刚度，可以有效地膨胀以减轻由内部膨胀和表面压缩应力引起的颗粒损伤。同时，富Mn核不仅限制了内部膨胀，而且增加了整体结构的可逆性。这两方面的浓度梯度设计均显著提高了富镍NMC的循环可逆性。而表面富锰、核富钴的浓度梯度设计则会产生严重的机械应变和较大的内部张力，在反复体积变化过程中会导致颗粒严重开裂。

这些结果重新定义了Co和Mn对NMC正极力学性能的显著影响，为增强富镍正极形态稳定性的成分设计提供了新的见解，并可作为帮助促进锂离子电池中结构和形态稳定的正极材料的基本指导原则。

参考文献

Liu, T., Yu, L., Lu, J. et al. Rational design of mechanically robust Ni-rich cathode materials via concentration gradient strategy. Nat Commun 12, 6024 (2021).

DOI：10.1038/s41467-021-26290-z

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26290-z