北京大學新材料學院:發現自旋電子超交換相互作用如何調控鋰電池...

【成果簡介】

北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊通過第一性原理計算，發現三元層狀正極材料中過渡金屬離子之間「自旋電子超交換」作用。本工作由新材料學院潘鋒教授、鄭家新副研究員指導碩士生滕高烽、辛潮博士後、博士生卓增慶共同完成，研究成果以「Role of Superexchange Interaction on Tuning of Ni／Li Disordering in Layered Li（NixMnyCoz）O2」為題發表J． Phys． Chem． Lett．上。在美國伯克利國家實驗室楊萬裡教授參與軟X射線的實驗測量和機理討論。以上工作得到了國家材料基因組重大專項（2016YFB0700600）、國家自然科學基金（Nos． 21603007 and 51672012）、深圳市科技創新委 （Nos．JCYJ20150729111733470 and JCYJ20151015162256516）的資助支持。

【圖文導讀】

圖1 鋰電池三元層狀正極材料結構

（a）鋰電池三元層狀正極材料結構；

（b）Ni／Li反位（TM）6?O3?Ni?O3?Li（TM）5結構基元；

（c）過渡金屬層中反位Li的離子環境。

圖2 三元層狀材料Ni／Li反位後形成180°超交換相互作用

【研究內容】

鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應用於日常電子產品、人工智慧、電動汽車、無人機等前沿科技領域。正極材料是鋰離子電池的核心部分，直接決定了鋰電池的能量密度、充放電循環性能、安全性、成本等。目前參與意義的正極材料有磷酸鐵鋰（LiFePO4）和三元層狀材料（Li（NixMnyCoz）O2），其中三元層狀材料具有較高的能量密度，是目前鋰離子電池廣泛應用的正極材料（如特斯拉電動汽車所採用的正極材料），也是鋰離子電池領域研究了幾十年、研究最為廣泛的一類材料。對這類材料進行結構與性能相關性的深入研究，不僅對產業應用有重要意義，也為探索發現更好的正極材料奠定基礎。

在這類層狀材料中，過渡金屬離子層與鋰層交替排列，之間通過氧層間隔開。研究發現Ni／Li反位很容易發生在三元層狀材料中（見圖1），對其性能發揮產生影響，如影響鋰離子的擴散速度、容量發揮和引發結構相變等，也有少數報導指出適量的Ni／Li反位有利於電化學循環過程中的結構穩定。所以Ni／Li反位對電化學性能的影響以及如何調控Ni／Li反位，成為大家普遍關心和研究的重要課題。傳統觀點認為Ni／Li反位是由於Ni2＋與Li＋具有相似的離子半徑，Ni2＋容易反位到Li（3b）的位置，但這很難解釋高Ni層狀材料中含有較多的Ni3＋，但Ni／Li反位卻更容易發生。因此對其背後的機理進行重新研究和深入認識具有基礎理論和產業應用意義。

北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊通過第一性原理計算，發現三元層狀正極材料中過渡金屬離子之間「自旋電子超交換」作用（兩個過渡金屬（TM）的自旋電子通過所共同連結的氧原子（O）的電子作為橋梁進行電子「超」交換相互作用，如圖2所示），從而對Ni／Li反位起到關鍵性的調製作用。Ni／Li反位後，反位Ni2＋會發生自旋反轉，與過渡金屬層的過渡金屬離子（Ni2＋， Ni3＋，Mn4＋）形成180°的超交換作用。由於反位Ni2＋的3d軌道與O2－的2p軌道形成較強的σ鍵，這種180°超交換作用大大強於原過渡金屬層狀內的90°超交換相互作用。在反位Ni2＋與過渡金屬層過渡金屬離子形成的180°超交換相互作用中，Ni2＋－O2－Ni2＋最強，Ni2＋－O2－Co3＋最弱，所以Ni／Li反位最易發生在反位後能形成較多線性Ni2＋－O2－Ni2＋的位置。這也解釋了為什麼在以往的實驗報導中發現高Ni尤其是含有更多Ni2＋的三元層狀材料中含有較多的Ni／Li反位，而在「Ni＝Mn」三元層狀正極材料中，Co能抑制Ni／Li反位。基於超交換作用模型，課題組還發現在高Ni含有Ni2＋／Ni3＋混合價態的層狀材料中，Ni3＋會優先反位到Li層形成Ni2＋，發生自旋反轉形成更多的線性Ni2＋－O2－Ni2＋超交換作用。同時由於電荷補償作用，原Ni3＋附近的Co3＋會變到Co4＋，這也是課題組在國際上首次預測在高Ni三元層狀材料中有Co4＋存在。該預測也得到了美國伯克利國家實驗室的同步輻射軟X射線吸收譜的證實。上述發現不僅為三元層狀正極材料長期以來的Ni／Li反位現象提供了很好的機理解釋，也為今後三元正極材料的反位缺陷可控調製、新型三元材料的設計提供了重要線索，如尋找可替換Co的更便宜的金屬離子。