近日，研究人员成功解决了高镍正极材料(下一代电动汽车电池的关键部件)长期存在的一个难题。该团队重新确定了残留锂化合物的位置，并提出新的材料设计策略以显著降低残留锂含量，相关研究成果发表在《材料化学A》杂志上。研究团队成员包括韩国能源研究所蔚山先进能源技术研发中心的Wooyoung Jin和Hyungyeon Cha。

高镍正极材料是电动汽车(EV)及其他应用领域新一代锂离子电池的核心部件。随着正极中镍含量增加，电池能量密度随之提高，电动汽车续航里程得以延长。目前，高镍正极材料镍含量高达80%，正逐渐成为未来电动汽车电池市场的关键技术。

然而，镍含量增加也带来新问题。正极材料表面容易形成过多残留锂化合物，引发凝胶化现象，即电极浆料硬化成凝胶状。这会导致活性材料颗粒分布不均匀，电极组件之间粘附性降低约20%，最终损害电极完整性和性能。值得注意的是，市售正极材料中也存在这一问题，凸显出迫切需要解决方案以确保稳定的制造和可靠的电池性能。

此前，人们普遍认为正极颗粒表面存在残留锂，采用蒸馏水清洗或外部涂层技术去除锂，但这些方法未能完全解决锂离子电池性能下降问题。

此次研究团队取得突破性发现，首次证实高镍正极材料中残留锂不仅存在于表面，也存在于内部颗粒之间，挑战了传统假设。这一发现揭示了被忽视的正极内部结构在电池性能下降和寿命缩短中的关键作用。基于此发现，团队提出新的材料设计策略，旨在从根本上抑制残留锂的形成。

研究团队利用高分辨率电子显微镜、氮吸附分析、电子能量损失谱等先进分析技术，对正极材料进行详细研究，发现残留的锂化合物以结晶形式存在于颗粒间的孔隙中，并确认这是导致电池性能下降的主要原因之一。

基于这些发现，研究人员提出使用单晶结构的高镍正极材料来抑制正极内部残留锂的形成。由于单晶结构在初级粒子之间几乎没有或完全没有晶界，可防止粒子间间隙形成，有效消除残留锂化合物可能结晶的空间。

研究团队报告称，与传统正极材料相比，使用单晶高镍正极材料可将残留锂含量降低高达54%。这一显著降低使产业界和学术界更接近实现将残留锂化合物含量保持在2000 ppm以下的目标。

研究团队负责人金博士和查博士表示：“这项研究标志着我们首次突破表面层面，深入分析正极颗粒内部结构中残留的锂问题，是理解高镍正极结构稳定性和性能衰减机制的关键转折点。我们相信，这些见解应用于阴极材料设计和加工，将在推动高能量密度锂离子电池的开发和商业化方面发挥重要作用。”

更多信息：Wooyoung Jin 等人，《识别锂离子电池高镍正极中残留锂的纳米结构》，《材料化学杂志 A》(2024 年)。