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Adv. Mater.:高容量富锂正极材料的挑战与最新进展

题记:值此厦门大学建校100周年之际,谨为厦门大学百年校庆献礼!


随着消费类电子、电动汽车和储能等领域的迅猛发展,亟需提升以锂离子电池为代表的二次储能设备的能量密度。在锂离子电池中,正极材料占据的成本最大,是提升锂离子电池能量密度的关键。目前已经商业化的正极材料(如钴酸锂、磷酸铁锂和三元正极材料等)的实际容量已经逼近其理论值,难以满足日益增长的市场需求,因此探索新一代具有高能量密度的正极材料是十分迫切的。


富锂正极材料,如富锂锰基正极材料(xLi2MnO3•(1–x)LiTMO2, TM = Ni, Mn, Co, 等),具有极高的理论比容量(>350 mAh/g)和可逆比容量(>250 mAh/g),被认为是最有潜力的下一代锂离子电池正极材料之一。其高容量的来源不仅仅是由过渡金属离子组成的氧化还原电对(通常为Ni2+/Ni4+, Co3+/Co4+, 少量Mn3+/Mn4+),还有独特的阴离子氧化还原电对(O2-/O-/O2)。此外,富锂锰基正极材料减少了昂贵的Co和Ni的用量,有效降低了生产成本。但是,富锂锰基正极材料也面临着首次库伦效率低、倍率性能差、容量和电压衰减严重等问题,阻碍了其商业化进程。


基于上述背景,厦门大学材料学院彭栋梁教授(点击查看介绍)和谢清水特任研究员(点击查看介绍)联合中科院物理研究所禹习谦研究员(点击查看介绍)系统地总结了近年来富锂正极材料的研究进展。本文完整地归纳了富锂锰基正极材料的晶体结构、反应机理和现存的挑战,系统地讨论了各种改性策略的优劣和应用。此外,本文还介绍了其它种类富锂正极材料(比如岩盐富锂和铁基硫化物富锂正极材料等)和富锂全电池的发展现状。最后,文章展望了富锂正极材料未来的研究方向。通过对近年来富锂正极材料领域发表的相关工作的分析和归纳,本文提出了富锂正极材料的改性策略正在朝着单一方法多功能和多策略协同改性的趋势发展等观点,为富锂正极材料未来的发展提供了新的启示和思路。

图1. 富锂锰基正极材料从晶体结构到实际应用各个阶段面临的挑战和策略概述。图片来源:Adv. Mater.


图2. (a,b)岩盐结构富锂正极材料Li1.3Nb0.3Mn0.4O2的电压曲线以及(c)岩盐Li2Ni1/3Ru2/3O3的原位拉曼光谱。(d)铁基硫化物富锂正极材料在C/20条件下和1.8-3 V电压范围的的前两个循环电压曲线。图片来源:Adv. Mater.


这一成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是厦门大学材料学院博士研究生何伟郭慰彬


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):

Challenges and Recent Advances in High Capacity Li-Rich Cathode Materials for High Energy Density Lithium-Ion Batteries

Wei He, Weibin Guo, Hualong Wu, Liang Lin, Qun Liu, Xiao Han, Qingshui Xie,* Pengfei Liu, Hongfei Zheng, Laisen Wang, Xiqian Yu,* and Dong-Liang Peng* 

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202005937


谢清水特任研究员简介


研究领域主要为锂/钠电池电极材料的设计与性能优化、高容量电极材料的宏量制备以及高能量密度电池的科学构筑。先后主持了国家自然科学基金、福建省杰出青年基金、福建省高校青年自然基金重点项目等科研项目8项,作为主要学术骨干参与国家重点研发计划“纳米科技”重点专项1项。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Energy Storage Mater.等期刊上发表SCI论文50余篇(其中IF≥10的论文20篇)。担任《稀有金属》、《Rare Metals》两刊青年编委,《Nanomaterials》和《Frontiers in Energy Research》专刊客座编辑。获2015年福建省优秀博士学位论文奖、2019年中国新锐科技人物卓越影响奖和2021年中国有色金属学会“有色金属智库杯”冶金优秀青年奖,入选2019年厦门大学南强青年拔尖人才计划。


https://cm.xmu.edu.cn/2017/0221/c12304a265934/page.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/43140 


禹习谦研究员简介

研究领域主要为高能量密度锂离子电池与固态锂电池材料设计,二次电池材料与器件先进表征以及锂电池失效分析与逆向分析。近年来一直在研究锂离子电池和固态锂电池等二次电池中关键材料离子电子存储机制与电池性能的构效关系,开发高能量密度电极材料。至今已在包括Nature Energy, Nature Materials, Nature Communications,Joule,Advanced Energy Materials,Chemical Reviews, Accounts of Chemical Research在内的国际知名学术期刊上合作发表学术论文145余篇(IF>10论文90篇),引用13000余次,H因子62。2019、2020年科睿唯安全球高被引科学家。2016年4月加入中国科学院物理研究所E01组工作,2018年获基金委优秀青年科学基金项目支持,2019获英国皇家协会Newton Advanced Fellowship资助。


http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=1122 

https://www.x-mol.com/university/faculty/65718 


彭栋梁教授简介

现任厦门大学材料学院院长,研究领域主要为磁性材料与自旋电子学物理、能源材料、纳米和低维功能材料。至今已在J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Nano Letters、Adv. Sci.、Applied Catalysis B、Applied Phys. Lett.、Phys. Rev. B 等国际国内著名学术刊物上共发表科研论文280多篇,引用6000余次。已授权日本发明专利6项,授权中国发明专项11项。国家杰出青年科学基金获得者,国家重点研发计划“纳米科技专项”项目首席科学家,福建省“闽江学者”特聘教授,福建省“百千万人才工程”入选者,福建省“科技创新领军人才”,2015-2017年度福建省优秀教师。


https://cm.xmu.edu.cn/2016/1128/c12298a231827/page.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/43109 


科研思路分析


Q:这篇综述的思路是什么?

A:虽然富锂锰基正极材料是极具潜力的下一代锂离子电池正极材料,但是其商业化应用仍存在诸多问题。本文的目的是通过汇总和分析近年来的相关文献为富锂锰基正极材料的发展状况做一个阶段性的总结,并为其未来发展方向提出有价值的指导性建议。本文从阐述富锂锰基正极材料的晶体结构入手,解析了其反应机理,指出了面临的主要挑战,并汇总了针对性的改性策略,接着介绍了其它种类的富锂正极材料,最后展望了富锂正极材料的未来发展方向。


Q:该综述论文的主旨是什么?

A:本文旨在总结和分析近期关于富锂正极材料的研究进展,启发富锂正极材料进一步研究思路,并为高能量密度锂离子电池的未来发展提供指导性建议。


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