運用表面技術提升鋰離子電池效能

隨著全球對於具成本效益的永續電池需求日益增加，鋰離子電池已成為儲能解決方案的佼佼者。然而，要延長電子裝置的使用時間，關鍵在於讓此類電池達到高能量密度且具長期穩定性。LiNi₀.₅Mn₁.₅O₄（LNMO）以其熱穩定性和成本效益著稱，是高電壓正極的潛力材料。但可惜的是，它的應用受到諸如電解液分解等不良副反應的限制，這些反應會隨時間降低其效能。

在一項開創性的研究中，首爾科學技術大學的韓東旭（Dongwook Han）教授及其研究團隊提出了一種雙重工程方法，以提升LNMO正極的效能。該團隊設計了鋰空位次表面通道，以改善鋰離子遷移，同時建立了富含K₂CO₃的保護層，防止正極因電解液分解而受損。他們的研究成果於2024年11月1日發表在《化學工程》期刊上。

論文第一作者韓教授表示：「為了提升LNMO正極的效能，我們透過KOH輔助的濕式化學方法，在LNMO顆粒表面形成富含K₂CO₃的外層，以及部分脫鋰的次表面。這些層的協同效應使LNMO正極在電化學充放電迴圈效能上有顯著提升，並增強了熱穩定性。」

經表面工程處理的正極是透過兩步驟製備而成。首先，利用共沉澱輔助水熱法，再經固相反應合成常規的LNMO（R - LNMO）正極。接著，將製備好的R - LNMO正極顆粒用KOH水溶液進行表面改性處理，從而形成表面改性的LNMO，簡稱LNMO_KOH。

研究團隊運用先進技術，對LNMO_KOH和R - LNMO正極顆粒的物理化學和電化學特性進行了測試。結果相當驚人，顯示LNMO_KOH顆粒的熱穩定性增強，儲能能力也更佳。

這些正極在100次迴圈後，放電容量約為110 mAh/g，容量保持率達97%，與未處理的LNMO正極的89 mAh/g放電容量和91%保持率相比，有顯著提升。此外，經處理的材料在結構上雜質減少、孔隙率增加，還展現出快速充電的潛力。

韓教授在談及該研究的更廣泛應用時指出：「我們的技術不僅限於LNMO，還可應用於商業正極材料，包括高效能的Li[Ni₁ - y - zCoₙMnₙ]O₂（NMC）和LiFePO₄（LFP）。我們相信，這將透過實現高能量密度和卓越安全性，推動電池在大型電動車和儲能系統中的應用發展。」