南京理工大學夏暉《Nature Sustainability》:循環超千次的超穩定錳基正極材料

隨著新能源汽車的快速發展以及鋰離子電池的需求量的持續增長,電極材料的回收利用以及可持續性越來越引起科學家的關注。

目前商業化鋰離子電池十分依賴高鈷和高鎳的正極材料,而鈷和鎳等金屬資源的儲量較低,價格昂貴,且開發過程中伴隨著高污染及其他社會問題。因此,亟需用儲量豐富、成本低廉及環境友好的過渡金屬來取代。錳基正極材料因其較高的理論比容量(主要源於Mn3+/Mn4+氧化還原),高安全和低成本的優勢,成為下一代鋰離子電池正極材料研究的熱點。然而,由於Mn3+ 的dz2軌道呈現高度的線性有序,引發Jahn-Teller
distortion效應,導致充放電過程中材料結構不穩定,顆粒破裂和嚴重錳溶解行為,從而導致錳基正極材料循環壽命較短,難以實現實際應用。

南京理工大學夏暉《Nature Sustainability》:循環超千次的超穩定錳基正極材料

要有效抑制Jahn-Teller distortion效應,需要從材料顆粒內部破壞姜-泰勒畸變的長程有序,使其無法實現顆粒內部錳的協同Jahn-Teller畸變。鑒於此,南京理工大學材料學院夏暉教授團隊聯合中科院物理所谷林教授以及香港城市大學劉奇教授提出了一種具有層狀和尖晶石共生異質結構的LiMnO2陰極設計。基於此概念,研究人員以尖晶石結構的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共生異質結構的LiMnO2陰極。在這兩個域之間的介面處,Mn
dz2軌道彼此垂直定向,從而導致介面軌道有序化,從而抑制了協同Jahn-Teller畸變和Mn溶解。文章以「LiMnO2 cathode stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries」為題,發表在《Nature
Sustainability》上。南京理工大學為第一通訊單位,夏暉教授谷林教授劉奇教授為論文的共同通訊作者,材料學院朱曉輝博士為第一作者,中科院物理所孟繁琦博士張慶華副研究員為共同一作。

文章亮點:

一、研究表明,LiMnO2陰極顆粒內部層狀和尖晶石兩相介面處Mn的dz2軌道呈現近似垂直的介面軌道有序(Interfacial orbital ordering),其類似馬賽克的晶疇結構以及層狀和尖晶石的異質結構介面能夠有效破壞錳顆粒內部姜-泰勒畸變的長程有序。

二、相比單一層狀或尖晶石相幾十次的循環壽命,具有層狀和尖晶石異質結構的LiMnO2正極表現出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。

南京理工大學夏暉《Nature Sustainability》:循環超千次的超穩定錳基正極材料

同期,美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Arumugam Manthiram教授發表News & Views,高度評價了該項工作,稱其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。

參考文獻:

Zhu, X., Meng, F., Zhang, Q. et al. LiMnO2 cathode stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries. Nat Sustain (2020).
https://doi.org/10.1038/s41893-020-00660-9

來源:高分子科學前沿

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來源:kknews南京理工大學夏暉《Nature Sustainability》:循環超千次的超穩定錳基正極材料