隨著電動(dòng)汽車的持續(xù)發(fā)展，對于長續(xù)航動(dòng)力鋰電池的需求日益增加。富鋰錳基鋰電池正極材料因其高比容量、高工作電壓、熱穩(wěn)定性好、低成本等優(yōu)點(diǎn)一直備受關(guān)注，是一種非常有潛力的動(dòng)力型正極材料。但是其本身在循環(huán)中首效低、循環(huán)性能和倍率性能差、電壓衰降嚴(yán)重、無相匹配的高壓電解液等缺點(diǎn)阻礙了其進(jìn)一步商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。青島能源所武建飛研究員帶領(lǐng)的先進(jìn)儲能材料與技術(shù)研究組，立足前沿，針對富鋰錳基正極材料的發(fā)展瓶頸開發(fā)了多項(xiàng)改性策略和關(guān)鍵技術(shù)，取得了重要成果（Journal of Alloys and Compounds, 744 (2018)：41-50，ACS Appl. Mater. Interfaces 2020，online；專利CN201911201192.1，CN201811106607.2，CN202010098277.8），為解決富鋰錳基正極材料產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展難題奠定了研究基礎(chǔ)。

作為動(dòng)力電池正極材料中的重要元素之一，鈷起到穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)和提高循環(huán)、倍率性能的重要作用。然而，鈷作為不可再生金屬，資源量稀缺，有限的鈷資源無法支撐新能源汽車無限的發(fā)展空間。另一方面，鈷對正極材料本身的成本影響也很大。由于鈷需求的增加，鈷的價(jià)格在過去幾年持續(xù)增長，這對電池行業(yè)的低成本是一個(gè)挑戰(zhàn)。鈷的稀缺和高價(jià)格將逐漸限制電動(dòng)汽車市場的未來，如果將電池中的鈷成分降低甚至取消，電動(dòng)車將會更具性價(jià)比。因此，開發(fā)鈷含量較低的正極材料至關(guān)重要，低鈷甚至無鈷逐漸成為了電池發(fā)展的趨勢，無鈷電池正是基于這一現(xiàn)實(shí)情況而誕生。自從特斯拉提出“無鈷電池”的口號之后，牽出了業(yè)界在無鈷電池上的多方面努力。眾所周知，正極材料中去鈷或者少鈷，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一就是如何解決鋰鎳混排以及金屬溶出的問題，否則正極材料的穩(wěn)定性、循環(huán)性能、倍率性都非常差。普遍的“無鈷”概念是將正極材料中的鈷含量降低，進(jìn)而用摻雜包覆其它元素的方法來“補(bǔ)償”，從而保證正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

武建飛研究組不斷跟進(jìn)行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，在高性能富鋰錳基正極材料的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展了無鈷正極材料的研究。近日，該研究組在富鋰正極材料的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無鈷化，成功開發(fā)出高性能無鈷富鋰錳基正極電池體系，這不僅降低了正極材料的成本，而且進(jìn)一步提升了富鋰正極材料的電化學(xué)性能，可謂是一舉兩得。該無鈷富鋰錳基正極材料的首次放電比容量達(dá)到250 mAh·g-1（圖1A）的同時(shí)，去鈷后的富鋰正極材料反而其循環(huán)壽命得到大幅提升，在0.5C倍率下經(jīng)過300次充放電循環(huán)后仍有96%的高容量保持率（普通富鋰正極材料只有50%，圖1B）。此外，倍率性能也獲得極大地改善而且回復(fù)率高（圖1C）。更重要的是，該無鈷富鋰錳基體系對抑制循環(huán)過程中的電壓衰降表現(xiàn)非常出色，經(jīng)過100圈循環(huán)后幾乎沒有明顯的電壓衰降（圖1F）；即使經(jīng)過大電流的長循環(huán)，正極材料的結(jié)構(gòu)也能保持很好的穩(wěn)定性（圖1L）。同時(shí)，該體系使用了比普通體系更低濃度的鋰鹽電解液（＜1M-LiPF6），在大幅度提升無鈷富鋰材料的電化學(xué)性能的同時(shí)進(jìn)一步降低了電池體系的成本。

無鈷富鋰錳基正極材料體系的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的正極材料無鈷化，大大降低了正極材料的成本，而且突破性的提高了富鋰錳基正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性并且更好的抑制了循環(huán)過程中的電壓平臺衰降，這將更加凸顯富鋰正極材料在與其他正極材料中的競爭優(yōu)勢。對于電池行業(yè)而言，這不僅可以使鋰電池成本降低，壽命提升，同時(shí)可以提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，為長續(xù)航動(dòng)力鋰電池提供了關(guān)鍵的材料解決方案。該體系的開發(fā)將豐富無鈷電池市場，進(jìn)一步推動(dòng)無鈷電池發(fā)展，并且有望實(shí)現(xiàn)無鈷富鋰錳基鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有很大的商業(yè)化前途和應(yīng)用價(jià)值（專利CN202011120181.3）。（文/圖 宋德朋）

圖1.無鈷富鋰錳基正極材料體系的電化學(xué)性能（A-F）和相關(guān)結(jié)構(gòu)表征（G-L）