高比能鋰電池富鋰錳基正極材料研究取得系列進展

 近日，記者從中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所獲悉，該研究所崔光磊研究員團隊在高比能鋰電池正極材料富鋰錳基層狀氧化物（LLOs）的陰離子氧穩(wěn)定性調(diào)控和鋰離子傳輸異質(zhì)研究方面取得重要進展。相關(guān)成果分別發(fā)表在《先進能源材料》和《德國應(yīng)化》上。

據(jù)介紹，LLOs是一種新型的鋰電池正極材料，因兼具陰、陽離子的可逆氧化還原反應(yīng)，具有遠(yuǎn)高于高電壓鈷酸鋰、高鎳三元正極材料的放電比容量, 在開發(fā)高能量密度鋰電池尤其是全固態(tài)鋰金屬電池時極具應(yīng)用潛力。

目前LLOs由于陰離子氧的氧化還原反應(yīng)會導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)O₂p空穴和O₂的產(chǎn)生，嚴(yán)重降低電池穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和安全性能，成為制約高比能、高安全固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，此外，LLOs材料在全固態(tài)電池中性能快速衰減的微觀機制尚未探明。因此，發(fā)展創(chuàng)新材料制備技術(shù)解決其瓶頸問題，探索先進表征技術(shù)闡明富鋰錳基全固態(tài)電池性能衰減微觀機制的關(guān)鍵科學(xué)問題，是促進LLOs材料發(fā)展的重要前提。

為解決上述問題，該研究所固態(tài)能源系統(tǒng)技術(shù)中心提出一種非恒溫?zé)Y(jié)的新型材料制備技術(shù)，實現(xiàn)了LLOs體相晶格氧的穩(wěn)定化并減少了非穩(wěn)態(tài)O2p空穴的產(chǎn)生。采用該技術(shù)制備的正極材料其放電比容量、循環(huán)穩(wěn)定性等電化學(xué)性能與傳統(tǒng)恒溫?zé)Y(jié)技術(shù)相比，得到顯著提升，此外非恒溫?zé)Y(jié)技術(shù)的可行性在無鈷富鋰錳基正極材料體系也得到了驗證，這為實現(xiàn)LLOs材料晶體結(jié)構(gòu)、電化學(xué)性能的穩(wěn)定化提供了重要指導(dǎo)。

同時，該團隊基于原位差分相位襯度成像的掃描透射電子顯微鏡技術(shù)（DPC-STEM），首次研究了LLOs在硫化物固態(tài)電池中的電化學(xué)反應(yīng)機制，觀測到LLOs材料中納米尺度的兩相分離是導(dǎo)致Li+在正極材料體相、界面處存在傳輸異質(zhì)的決定因素，并嚴(yán)重限制了富鋰相Li₂MnO₃的容量發(fā)揮。

該項工作研究了微觀晶體結(jié)構(gòu)與鋰離子傳輸動力學(xué)、正極材料電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系，揭示了全固態(tài)電池中LLOs正極材料性能衰減的微觀機制，為精準(zhǔn)優(yōu)化LLOs材料的晶體結(jié)構(gòu)、改善正極/電解質(zhì)的界面鋰離子傳輸動力學(xué)提供了指導(dǎo)。上述工作為開發(fā)高能量密度與高安全性的富鋰錳基硫化物全固態(tài)電池奠定了研究基礎(chǔ)。

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