高比能鋰電池富鋰錳基正極材料研究取得系列進(jìn)展

近日，記者從中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(jìn)展。相關(guān)成果分別發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》和《德國(guó)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(yáng)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(shí)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(huì)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(jī)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(jìn)表征技術(shù)闡明富鋰錳基全固態(tài)電池性能衰減微觀機(jī)制的關(guān)鍵科學(xué)問題，是促進(jìn)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(shí)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(wú)鈷富鋰錳基正極材料體系也得到了驗(yàn)證，這為實(shí)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(shí)，該團(tuán)隊(duì)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(jī)制，觀測(cè)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(xiàng)工作研究了微觀晶體結(jié)構(gòu)與鋰離子傳輸動(dòng)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(jī)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(dòng)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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