近日，北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組和美國國家同步輻射光源NSLS II白健明教授、Brookhaven國家實驗室王峰教授、美國陸軍實驗室許康教授合作，開發(fā)了一種全新高效的微波水熱合成方法。
材料合成是現(xiàn)代材料科學(xué)的基石，而如何在很短時間尺度內(nèi)高效制備出具有特定結(jié)構(gòu)的材料長久以來一直是材料科學(xué)家追求的目標。眾所周知，絕大多數(shù)合成反應(yīng)都需要從外部獲取能量來克服反應(yīng)勢壘，而傳統(tǒng)的能量供給方式包括燃燒和電加熱等，這些方式主要通過熱傳導(dǎo)將能量從熱源傳遞給制備的環(huán)境，再由環(huán)境傳遞到目標反應(yīng)物，因此該傳遞過程中由于熱振動的無序性會造成能量的大量浪費，且會引入各自副反應(yīng)。理想的能量傳遞方式應(yīng)該是具有“靶向”性的，可以精確使得目標反應(yīng)物直接接受從發(fā)射源的能量引發(fā)精準快速化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)能量的有效利用。
以三元Li(NI/Co/Mn)O2為代表的層狀氧化物鋰電池正極材料，具有獨特的鋰離子夾層化學(xué)特性，已成為目前鋰離子電池中最重要的正極材料體系。當前，無論是產(chǎn)業(yè)界還是實驗室，廣泛采用高溫固相法作為合成層狀氧化物正極材料的主流方。這一方法需要在750-1000℃的高溫下進行長時間的燒結(jié)（>10小時），往往帶來巨大的能耗、環(huán)境污染等問題，并造成較高的生成成本。因此，開發(fā)新型的低能耗、快速的合成方法，對于降低鋰鋰離子電池的生成成本、激發(fā)未來的儲能市場都具有重要的意義。
圖1 原位同步輻射X射線技術(shù)追蹤層狀正極材料的超快微波水熱合成過程
近日，北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院潘鋒教授課題組和美國國家同步輻射光源NSLS II白健明教授、Brookhaven國家實驗室王峰教授、美國陸軍實驗室許康教授合作，開發(fā)了一種全新高效的微波水熱合成方法。如圖1所示，通過原位同步輻射XRD追蹤了層狀正極材料Li(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 (NMC333)的微波水熱合成過程，發(fā)現(xiàn)氫氧化物前驅(qū)體在160 ℃的低溫下極短時間內(nèi)（4分鐘）就轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝钛趸锂a(chǎn)物。通過與原位固相合成實驗、原位水熱合成實驗進行對比，發(fā)現(xiàn)了微波水熱的反應(yīng)速率（1.819 min-1）比固相合成（0.091 min-1）和水熱合成（0.096 min-1）大一個數(shù)量級。通過進一步的原位實驗詳細分析了反應(yīng)中各組分的微波吸收能力，成功揭示了超快微波合成背后的靶向能量傳輸引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的機理：微波能量可以通過與極化分子水合鋰離子及帶有未成對自旋電子的過渡金屬離子的共振相互作用，精確地將能量傳遞到反應(yīng)物中，提升反應(yīng)物的內(nèi)部動能而對環(huán)境反應(yīng)溫度影響不大，從而加快了固液界面處的鋰離子插入速率和晶體的相結(jié)構(gòu)演化，最終實現(xiàn)了層狀正極材料的低溫快速合成。該工作近日發(fā)表在Science子刊Science Advances（DOI：10.1126/sciadv.abd9472，影響因子為13.116）上。
圖2 超快微波靶向能量傳輸引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的機理
該工作是在新材料學(xué)院潘鋒教授、美國國家同步輻射光源NSLS II白健明教授、美國Brookhaven國家實驗室王峰教授和美國陸軍實驗室許康教授的共同指導(dǎo)下，由第一作者研究員張明建及相關(guān)人員共同努力一起完成。該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃、廣東省創(chuàng)新團隊項目的大力支持。圖片（來源：北京大學(xué)新材料學(xué)院）
