超穩定錳基正極材料助力鋰離子電池可持續性 |《自然-可持續性》論文

2021-02-20 Nature Portfolio

《自然-可持續性》本周發表的一項研究LiMnO2 stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries報導了一種用於鋰離子電池的超穩定的錳基正極材料LiMnO2。該材料由共生的層狀和尖晶石兩相構成，因相界面處獨特的Mn dz2軌道取向有序性，錳氧八面體的姜-泰勒效應被有效抑制，從而克服了錳基正極材料中的一個技術頑疾，實現了性能的飛躍。該工作為開發低成本、高性能、環境友好型正極材料提供了嶄新策略，必將促進鋰離子電池的可持續性發展。

隨著全球消費類電子產品、新能源汽車的快速增長，對鋰離子電池的需求量與日俱增，因而鋰離子電池的可持續性變得越發重要。目前的商用鋰電嚴重依賴高鈷和高鎳的正極材料，但鈷和鎳的儲量較低，價格昂貴，開發過程又伴隨著高汙染及其他社會問題，亟需用儲量豐富、成本低廉、環境友好的過渡金屬來取代。錳基正極材料具有較高的理論比容量，高安全特性和低成本的優勢，成為鋰離子電池研究的熱點。然而，由於Mn3+存在姜-泰勒畸變行為，充放電過程中造成材料結構不穩定，顆粒破裂和嚴重錳溶解行為，因而導致循環壽命較短，目前難以實現實際應用。解決這個技術瓶頸，急需有效的結構調控方法。

圖1 LiMnO2的層狀相與尖晶石相在顆粒中共生形成異質結構、垂直的界面軌道有序與超長電化學循環壽命

不論是層狀結構還是尖晶石結構的LiMnO2，Mn3+的dz2軌道均呈現高度的線性有序，這是引發錳基正極材料產生強烈協同姜-泰勒效應的根本原因。來自南京理工大學、中國科學院物理研究所及香港城市大學等的研究者提出，要有效抑制協同姜-泰勒效應需要從材料顆粒內部破壞姜-泰勒畸變的長程有序，實現顆粒內部錳的姜-泰勒畸變無法協同。在本工作中，研究者以尖晶石結構的Mn3O4為原始電極，通過電化學活化將其原位轉變為層狀和尖晶石兩相共生異質結構，該材料顆粒兩相界面處Mn的dz2軌道呈現近似垂直的界面軌道有序，其類似馬賽克的晶疇結構以及層狀和尖晶石的共享界面有效破壞了顆粒內部錳姜-泰勒畸變的長程有序。研究者認為尤其是當界面處Mn的dz2軌道呈現垂直的界面軌道有序時，對姜-泰勒畸變的抑制效果達到最佳。因此，該異質結構的LiMnO2正極展示出254 mAh g−1的高比容量、出色的高倍率性能以及長達千次的優異循環性能（圖1）。而如果使用單一層狀相或者尖晶石相，只能維持幾十次的循環壽命。點擊「閱讀全文」獲取研究全文。

來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Arumugam Manthiram教授和合作者認為本工作為抑制錳基正極材料中的姜-泰勒畸變提供了嶄新途徑，使得開發高穩定錳基正極材料成為可能，必將進一步帶動錳基材料用於可持續性、規模化儲能器件。同時，本工作也引發出系列重要的科學問題。比如，界面工程中的晶格畸變機制和精確合成化學。進而，我們可以更有效地發揮這個策略的優勢。可以期待的是，儲能技術的成本降低將有效地推動我們的能源結構向更可持續的方向前進。

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natsustain | doi:10.1038/s41893-020-00660-9

Nature Sustainability 期刊介紹

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LiMnO2 stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries


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