俄羅斯的研究人員最近對電池正極材料進行了改良，從而提升了電池的使用壽命。Skoltech 的研究團隊提出通過高價鈦的摻雜來改進正極材料，並發現加入 0.5 摩爾百分比的五氧化二鈦 (Ta₂O₅) 可以將每個循環的電池容量衰減率減少近一半。這項研究為製造更耐用、安全且強大的鋰離子電池鋪平了道路，這些電池將應用於電動車、電子設備及能源儲存系統。
現代的鋰離子電池通常使用富含鎳的層狀氧化物作為正極材料，以儲存更多能量。然而，鎳含量越高，電池的退化速度就越快。反覆充電和放電會導致材料顆粒中緩慢形成裂縫，最終導致容量損失。研究團隊提出的一個解決方案是創建一種濃度梯度結構，即正極顆粒中心的鎳含量最高，然後向表面逐漸減少，而錳和鈷的穩定劑濃度則逐漸增加。
研究的初期難點在於如何創建這種梯度結構。Skoltech 材料科學博士生 Lyutsia Sitnikova 表示，在梯度結構中，創建一層最佳厚度和穩定的富錳和鈷的表面非常困難，並且需要實現從顆粒中心到邊緣的過渡金屬含量的線性變化。為此，研究團隊開發了一個數學模型，預測在關鍵合成參數變化時，正極聚集體中鎳、錳和鈷的濃度將如何變化。
這項研究的創新之處在於，模型考慮了顆粒的球形形狀和半徑。研究團隊合成了三種不同類型的梯度結構，並用實驗數據驗證了計算結果。此外，團隊還指出，另一個挑戰是在最終製造階段維持梯度，這一階段需要高溫摻雜鋰。為了解決這個問題，團隊在材料中添加了五氧化二鈦。
高價元素的摻雜不僅僅是改變層狀氧化物的晶體結構，而是鈦會在主要晶粒的表面聚集，並促進層狀結構中的陽離子無序化，Skoltech 能源部的資深研究科學家 Alexandra Savina 指出。值得注意的是，富鈦區域並不會在晶界處形成獨立的相，而是以外延的方式延伸主要晶粒的晶體結構，形成幾納米厚的富鈦表面層。
這項研究發表在《先進功能材料》上，對富鎳層狀氧化物正極材料 (LiNixMnyCozO2, x+y+z = 1, x = 0.9, NMC9) 的合成進行了全面調查，並使用改良的共沉澱法系統性地研究關鍵合成參數，並通過數學模型預測過渡金屬在聚集體中的分佈。研究中還指出，通過 Ta₂O₅ 的改性有效抑制了過渡金屬的相互擴散和顆粒的粗化，從而保持了高溫鋰化過程中的梯度結構。通過粉末 X 射線衍射 (PXRD) 和先進的透射電子顯微鏡 (TEM) 技術，研究顯示富鈦相外延延伸了主要顆粒的晶體結構，形成了厚約 5 納米的富鈦表面層。
