锂电成本面临的挑战主要与正材料价格飞涨和过渡金属（TMs）需求增加有关，特别是钴（Co），它是已广泛使用商业正极材料中的核心元素。但是钴不稳定的价格变化给相关正极材料的开发和使用带来极大影响，因此开发无钴正极材料显得尤为重要，为了正确开发无钴正极或确定合适的成分替代品，需要全面了解钴在富镍正极中的功能。鉴于此，美国阿贡国家实验室陆俊教授和Khalil Amine教授联合北京大学深圳研究生院潘锋教授（共同通讯作者）系统研究了Co在富钴和锰取代的无钴正极材料中的作用，设计了富钴LiNi0.6Co0.4O2、Mn取代无Co LiNi0.6Mn0.4O2和Mn取代低Co LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2，以阐明高镍正极中Co含量、结构性能和容量退化之间的相互作用。

该合作团队结合原位同步辐射和球差电镜等技术以及量子化学计算，深入分析了钴元素在NMC正极材料的主要作用和提出了全新无钴材料组分。研究结果表明尽管钴有助于层状有序结构的形成，但它对电池的电化学性能和结构稳定性都有不利的影响，尤其是它在高电压下会引发结构失氧，以及过渡金属的迁移。同时，钴的存在也加重颗粒形貌的稳定性差的问题，加速了颗粒裂纹的产生。通过锰元素替代钴可以较好地缓解结构和形貌稳定性差的问题，并且得到更好的高电压性能。

在这些机理研究的基础上，该合作团队进一步提出新组分LiNiαMnβXγO2是极具潜力的无钴正极材料的发展方向，并验证该系列材料优异的性能。这项研究对高性能低成本无钴电池的发展具有重要的指导意义。

图.富钴材料和无钴材料在高电压循环过程中结构和形貌演变

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00776-y

（孔祥邦）