基于原子层沉积的多点位Ti掺杂正极材料表面研究
尖晶石型LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)具有高达4.7V的对锂电压平台，因此被看作是非常有潜力的高能量密度锂离子电池正极材料。然而，电池循环过程中发生在材料表面和近表面的副反应以及不可逆相变极大的影响到了它的循环容量和稳定性。
加拿大西安大略大学孙学良院士课题组长期致力于运用原子层沉积技术（ALD）设计电极材料界面，从而达到优化材料性能的目的。在这篇工作中，他们应用原子层沉积无定形TiO2包覆LNMO，然后将包覆后的材料颗粒在810摄氏度下热处理6小时。通过同步辐射X射线吸收谱以及高角环形暗场像模式的透射电镜研究发现，材料颗粒表面的无定形TiO2在加热过程中并不是独立形成TiO2晶体，而是与LNMO反应，造成表面和内部的Ti掺杂。其中，表面的Ti部分进入尖晶石结构中四面体配位的位点，其余的Ti替代八面体配位的过渡金属。这种多点位掺杂的效应直接影响到了材料的电化学性能，并且可以通过ALD的循环次数进行调控。研究发现，25次ALD循环包覆的TiO2呈现出了最佳的容量和稳定性，相反，5次和50次ALD循环由于太薄或太厚都不利于材料循环。此外，通过对比未经过热处理的ALD包覆的LNMO，他们发现热处理能显著改善无定形TiO2对电子的锂离子的阻碍。相对于原始的LNMO，经过热处理的25次ALD循环包覆的LNMO表现出了更低的表面阻抗，他们将这种效应归结于四面体配位的Ti能够减缓过渡金属迁移到16c的八面体空位上，因此保证了锂离子的快速传导。
这个工作阐述了锂离子电池表面掺杂的原理，并且延伸了ALD的应用，对正极材料表面改性研究有非常重要的意义。相关工作在线发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201703764）上。
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