在高性能正极材料的开发中，尤其是高镍层状氧化物，已成为推进锂离子电池（LIBs）技术发展的关键焦点。使用LiNixCoyMn1-x-yO2（x ≥ 0.6）等组成是提高LIBs能量密度和成本效益的有希望途径，使其特别适用于电动汽车（EV）应用。固相反应是合成这些正极材料的主要方法，这是一个受烧结温度、持续时间和其他关键条件影响的复杂过程。理解这些反应中的复杂性对于优化制造工艺至关重要，这有助于制造高镍层状正极，并最终提高先进LIBs的性能和寿命。在高镍层状正极材料的固相合成中，氢氧化物前驱体表面最初在氧气氧化下与锂源（Li2CO3、LiOH等）反应，形成阳离子无序的Lim(NixCoyMn1-x-y)1-mO2相。随着锂离子的扩散，反应向内部进展，同时需要一个驱动力使过渡金属和锂离子在<001>方向上有序层叠，最终形成层状Li(NixCoyMn1-x-y)1-mO2相。调节烧结过程中的加热曲线变得至关重要，以便为阳离子有序提供必要的驱动力，同时加速Li+扩散。然而，高温带来了严峻挑战：表面分解的风险，导致形成不受欢迎的岩盐相。这个过程可以被认为是合成过程的逆过程。在高温过程中表面岩盐相的出现被认为是阻碍锂离子扩散、增加过电位和影响充放电过程中电化学性能的关键因素。此外，高倍率循环导致快速充电过程中形成动力学异质界面，导致Li+分布不均和内部应力积累，从而损害材料的整体电化学性能。理解和减轻这些影响对于推进锂离子电池的设计和耐用性至关重要，特别是在极端快速充电场景的背景下。因此，在合成过程中减轻表面岩盐相成为优化高镍层状正极材料功能和寿命的关键目标。
为了解决这个问题，近日，上海科技大学谢琎团队首次使用原子层沉积（ALD）技术对高镍氢氧化物前驱体表面进行改性，均匀涂覆二氧化钛。TiO2涂层在烧结过程中逐渐转变为集中在粒子表面的梯度Ti掺杂，这一点通过X射线光电子能谱（XPS）深度分析得到证实。热重分析（TGA）和密度泛函理论（DFT）计算表明，表面Ti掺杂有效地固定了氧原子，并抑制了在高温下氧的释放。原位同步辐射X射线衍射测量（In situ XRD）和透射电子显微镜（TEM）进一步证实了Li/Ni混合的减轻和表面岩盐相形成的缓解。有序的表面层状结构使得优异的倍率能力和电化学稳定性成为可能，抑制了动力学异质相的形成，这一点通过operando X射线衍射得到证实。这些发现展示了通过合成控制减轻表面诱导的转变和动力学异质性，从而增强锂离子电池材料的一条有希望的途径。
该成果以 "Pinning the Surface Layered Oxide Structure in High Temperature Calcination Using Conformal Atomic Layer Deposition Coating for Fast Charging Cathode" 为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊，第一作者是Cai Xincan。
