Angew. Chem.：高能量密度锂离子电池层状富锂锰基正极材料反应机理的研究

具有高能量密度的锂离子电池一直是现阶段研究学者们的重中之重。与此同时，汽车工业的不断发展推动了对高能量密度锂离子电池的市场需求。由于锂离子电池的能量密度很大程度上受限于电池的正极材料。因此，探索具有高能量密度的锂离子电池正极材料迫在眉睫。其中，层状富锂锰基正极材料因其较高的能量密度、成本低廉、绿色环保且热稳定性好而受到了广泛的关注，被认为是下一代锂离子电池正极材料的不二选择。但其自身的内在缺点，包括初始库仑效率低、倍率性能差、放电电压和容量衰减严重等阻碍了它们的进一步商业化应用。层状富锂锰基正极材料的结构和电化学过程中反应机理的复杂性使其在过去二十年中的发展受到了严重阻碍。

近日，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授（点击查看介绍）从阴阳离子反应动力学两个方面系统总结了现阶段层状富锂锰基正极材料中的各种反应机理，加深了人们对于层状富锂锰基正极材料的理解。不同于传统正极材料中单一的过渡金属氧化机制，基于阴离子的氧化还原反应动力学对层状富锂锰基正极材料的电化学性能也起到了至关重要的作用。虽然先前的研究者们对层状富锂正极材料的发展做出过相应的总结，但其中很少有人关注其电化学性能衰减背后的反应机制。相较于传统的层状正极材料，由氧流失产生的氧空位会导致层状富锂锰基正极材料由外而内不可逆的层状结构-尖晶石结构的转变，表现为首次充放电过程中的低库伦效率和循环过程中的放电电压和容量的不断衰减。此外，正极材料中过渡金属元素的迁移、偏析和平均价态的不断降低也是循环过程中放电容量损耗和电压衰减的原因。在抑制氧流失和过渡金属元素迁移的同时，应尽量减少微孔、裂纹和位错等结构缺陷的出现。作者指出通过表面改性、元素掺杂等改性方法能够有效提高层状富锂锰基正极材料电化学性能。在此基础上优化正极材料的合成路线，以确保前驱体中过渡金属元素均匀分布。而对于层状富锂锰基正极材料在未来全电池中的商业应用，缺乏合适的负极材料是另一个挑战。考虑到传统的碳酸脂类电解液在高工作电压下不稳定，需要开发全新的电解液来提高富锂锰基正极材料的循环稳定性。

相关研究成果表在国际顶级期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。悉尼科技大学博士研究生赵硕卿为第一作者，孙兵博士后研究员和汪国秀教授为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Reviving Reaction Mechanism of Layered Lithium-Rich Cathode Materials for High-Energy Lithium-Ion Battery

Shuoqing Zhao, Kang Yan, Jinqiang Zhang, Bing Sun, Guoxiu Wang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI:10.1002/anie.202000262

通讯作者简介

汪国秀教授任职悉尼科技大学清洁能源技术中心主任，特聘杰出教授。汪教授致力于能源材料领域的研发，并在包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制造等多个跨学科领域取得了优异的成果。汪教授主持完成二十多项澳大利亚基金委和工业界的项目。迄今为止，汪教授已发表SCI论文超过510篇, 引用超过380000次，h因子107。2018年全球材料和化学双学科高被引科学家(Web of Science/Clarivate Analytics). 英国皇家化学会会士 (FRSC) 和 国际电化学学会会士(ISE fellow)。

汪国秀

https://www.x-mol.com/university/faculty/50227

课题组链接

https://www.uts.edu.au/research-and-teaching/our-research/centre-clean-energy-technology