国立釜庆大学与韩国能源技术研究院联合研究成果
发表于国际学术期刊《Energy Storage Materials》
既不牺牲寿命，也不牺牲输出。
面向下一代全固态锂离子电池的高镍正极，同时兼顾寿命和输出的颗粒设计技术已被开发出来，备受关注。
国立釜庆大学新材料系统工学系 Kim Namhyeong 教授团队与韩国能源技术研究院 Cha Hyeongyeon 博士团队通过同时设计颗粒的纳米（nano）与微米（micro）结构的“多尺度结构设计策略”，成功同时提升了全固态电池用高镍正极的寿命和输出性能。
近年来，为实现电动汽车和大容量储能装置所必需的高能量密度电池，关于下一代全固态电池的研究十分活跃，但在安全性和性能等方面仍存在局限。
研究团队注意到，在全固态电池中应用 NCM（锂镍钴锰氧化物，LiNi0.8Co0.1Mn0.1O）正极材料时，性能会急剧下降的问题。
研究结果表明，同样的正极材料在传统液体电解质环境下可以正常工作，但应用于采用硫化物系固体电解质的全固态电池时，容量会减少约20%，并出现电极与颗粒内部反应不均匀的现象。
传统多晶（polycrystalline）高镍正极颗粒在全固态电池内充放电过程中，由于难以充分发生伴随锂脱嵌/嵌入的结构变化，无法实现适当的容量，并出现仅部分颗粒参与反应的“反应不均匀”问题。尤其是在全固态电池所必需的高压条件下，由于颗粒开裂以及与固体电解质接触不均匀，电极内部会大面积生成无法参与反应的“死区（dead zone）”，这是一个重要局限。
为解决这一问题，研究团队提出了同时设计纳米与微米结构的“多尺度结构设计策略”。首先，通过合成在正极颗粒内部人工引入孪晶（twin-boundary）缺陷的高镍 NCM，构筑出锂离子可以更快速迁移的内部通道。
此外，在微观结构上，研究团队摒弃了由大量一次颗粒聚集而成的传统二次颗粒结构，转而引入整体为单一晶体的单晶（single-crystal）高镍 NCM。单晶结构内部几乎不存在晶粒边界，即便在高压条件下也不会产生微裂纹，能够长期保持颗粒形貌和电极结构，这一优势得到了充分利用。
研究团队在真实全固态电池环境下对应用该技术的全固态电池用高镍正极进行评估，结果显示，单晶 NCM 的初始放电容量约为 197 mAh/g，经过 100 次充放电后仍能保持 90%以上的容量。这意味着其寿命特性已达到与液体电解质电池相似的水平。
Kim Namhyeong 教授表示：“本研究提出了适用于全固态电池环境的‘正极结构设计范式’，意义重大。此类多尺度材料设计将成为今后开发下一代全固态电池用商用正极的重要指导方针。”
载有该研究成果的论文《Synergistic nano-micro structuring boosts high-Ni cathode performance for all-solid-state lithium-ion batteries》已发表在材料科学领域排名前 5% 的国际学术期刊上。
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