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聚焦衰老、长寿和疾病 | 自然科研研究合集

期刊:Nature sustainability

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《自然-可持续性》本周发表的一项研究LiMnO2 stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries报道了一种用于锂离子电池的超稳定的锰基正极材料LiMnO2。该材料由共生的层状和尖晶石两相构成,因相界面处独特的Mn dz2轨道取向有序性,锰氧八面体的姜-泰勒效应被有效抑制,从而克服了锰基正极材料中的一个技术顽疾,实现了性能的飞跃。该工作为开发低成本、高性能、环境友好型正极材料提供了崭新策略,必将促进锂离子电池的可持续性发展。


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随着全球消费类电子产品、新能源汽车的快速增长,对锂离子电池的需求量与日俱增,因而锂离子电池的可持续性变得越发重要。目前的商用锂电严重依赖高钴和高镍的正极材料,但钴和镍的储量较低,价格昂贵,开发过程又伴随着高污染及其他社会问题,亟需用储量丰富、成本低廉、环境友好的过渡金属来取代。锰基正极材料具有较高的理论比容量,高安全特性和低成本的优势,成为锂离子电池研究的热点。然而,由于Mn3+存在姜-泰勒畸变行为,充放电过程中造成材料结构不稳定,颗粒破裂和严重锰溶解行为,因而导致循环寿命较短,目前难以实现实际应用。解决这个技术瓶颈,急需有效的结构调控方法。


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图1 LiMnO2的层状相与尖晶石相在颗粒中共生形成异质结构、垂直的界面轨道有序与超长电化学循环寿命


不论是层状结构还是尖晶石结构的LiMnO2,Mn3+dz2轨道均呈现高度的线性有序,这是引发锰基正极材料产生强烈协同姜-泰勒效应的根本原因。来自南京理工大学、中国科学院物理研究所及香港城市大学等的研究者提出,要有效抑制协同姜-泰勒效应需要从材料颗粒内部破坏姜-泰勒畸变的长程有序,实现颗粒内部锰的姜-泰勒畸变无法协同。在本工作中,研究者以尖晶石结构的Mn3O4为原始电极,通过电化学活化将其原位转变为层状和尖晶石两相共生异质结构,该材料颗粒两相界面处Mn的dz2轨道呈现近似垂直的界面轨道有序,其类似马赛克的晶畴结构以及层状和尖晶石的共享界面有效破坏了颗粒内部锰姜-泰勒畸变的长程有序。研究者认为尤其是当界面处Mn的dz2轨道呈现垂直的界面轨道有序时,对姜-泰勒畸变的抑制效果达到最佳。因此,该异质结构的LiMnO2正极展示出254 mAh g−1的高比容量、出色的高倍率性能以及长达千次的优异循环性能(图1)。而如果使用单一层状相或者尖晶石相,只能维持几十次的循环寿命。点击“阅读全文”获取研究全文。


来自美国得克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram教授和合作者认为本工作为抑制锰基正极材料中的姜-泰勒畸变提供了崭新途径,使得开发高稳定锰基正极材料成为可能,必将进一步带动锰基材料用于可持续性、规模化储能器件。同时,本工作也引发出系列重要的科学问题。比如,界面工程中的晶格畸变机制和精确合成化学。进而,我们可以更有效地发挥这个策略的优势。可以期待的是,储能技术的成本降低将有效地推动我们的能源结构向更可持续的方向前进。


Nature Sustainability 期刊介绍



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《自然-可持续性》Nature Sustainability)致力于发表自然科学、社会科学、工程及政策领域有关可持续发展的高水平基础研究、应用研究及政策分析文章,以及相关新闻和评论文章。期刊强调突破学科限制,探讨可持续发展各因素的关系、问题、决策及可能的解决方案,从而促进人与自然和谐共生,确保人类发展的世代福祉。


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