曾煒豪等 科學(xué)材料站 2024年08月31日 10:50 安徽
用于快充鋰電池的熵增型LiMn2O4正極
第一作者：曾煒豪，夏凡杰，王娟，楊金龍，彭昊陽(yáng)
通訊作者：吳勁松，木士春
通訊單位：武漢理工大學(xué)
研 究 背 景
鋰離子電池在快速充電技術(shù)領(lǐng)域的顯著進(jìn)步引發(fā)了廣泛關(guān)注，其中，LiMn2O4（LMO）正極材料以其獨(dú)特的三維鋰離子擴(kuò)散通道展現(xiàn)出優(yōu)異的離子傳導(dǎo)潛力，被視為高性能電池的關(guān)鍵候選材料。然而，該材料在高電流密度下的倍率性能瓶頸及伴隨的結(jié)構(gòu)退化問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其商業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。
文 章 簡(jiǎn) 介
近期，武漢理工大學(xué)的吳勁松教授與木士春教授在頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Entropy-Increased LiMn2O4-Based Positive Electrodes for Fast-Charging Lithium Metal Batteries”的研究論文。該文章揭示了LMO在高倍率條件下的性能局限，深入剖析了其擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)受限的根源，并提出了基于熵調(diào)控的改性策略。通過(guò)系統(tǒng)考察不同陽(yáng)離子摻雜及構(gòu)型熵對(duì)LMO中Li+擴(kuò)散機(jī)制的影響，該研究為開(kāi)發(fā)極速快充性能的正極材料提供了思路和解決方案，有助于推動(dòng)鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
圖1 陽(yáng)離子摻雜對(duì)錳酸鋰正極材料的局域結(jié)構(gòu)和擴(kuò)散勢(shì)壘的影響
本 文 要 點(diǎn)
要點(diǎn)一：LMO擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)衰減機(jī)制
本文通過(guò)精細(xì)的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，闡明了在深度充電條件下，LMO內(nèi)部因電化學(xué)應(yīng)力作用而誘發(fā)的{111}層錯(cuò)缺陷的不可逆形成機(jī)制。該層錯(cuò)缺陷中的MnO6八面體協(xié)同傾轉(zhuǎn)占據(jù)了尖晶石結(jié)構(gòu)的16c位點(diǎn)，直接導(dǎo)致三維離子傳輸通道的幾何畸變與性能退化。
要點(diǎn)二：摻雜元素對(duì)Li+擴(kuò)散的促進(jìn)作用
本文基于理論計(jì)算，篩選了Cu、Mg、Fe、Ni、Zn五種金屬元素作為摻雜劑。該五種元素通過(guò)其獨(dú)特的電荷離域特性，有效降低了Li+在三維通道中的擴(kuò)散能壘，并強(qiáng)化了Mn-O骨架的共價(jià)性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)LMO三維擴(kuò)散通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與性能優(yōu)化。
要點(diǎn)三：熵增效應(yīng)對(duì)離子擴(kuò)散性能的增強(qiáng)作用
本文通過(guò)將上述五種元素以混合摻雜的方式引入LMO晶格，深入探討了熵增效應(yīng)對(duì)材料離子擴(kuò)散性能的正面影響。熵增不僅促進(jìn)了晶體結(jié)構(gòu)的無(wú)序化及化學(xué)短程無(wú)序，還顯著提高了摻雜離子在晶格中的分布均勻性，進(jìn)而促進(jìn)了Li+的擴(kuò)散效率。該機(jī)制有效遏制了非均勻電化學(xué)應(yīng)力的累積，防止了長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中三維通道的結(jié)構(gòu)破壞，為L(zhǎng)MO正極材料在高倍率下的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。
文 章 鏈 接
Weihao Zeng, Fanjie Xia, Juan Wang, Jinlong Yang, Haoyang Peng, Wei Shu, Quan Li, Hong Wang, Guan Wang, Shichun Mu*, Jinsong Wu*. Entropy-increased LiMn2O4-based positive electrodes for fast charging lithium metal batteries. Nature Communication, 2024, 15, 7371.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51168-1
通 訊 作 者 簡(jiǎn) 介
吳勁松教授：武漢理工大學(xué)納微結(jié)構(gòu)研究中心執(zhí)行主任，國(guó)家海外高層次人才，中國(guó)電子顯微學(xué)會(huì)理事。發(fā)展了原位高分辨電子顯微學(xué)，并應(yīng)用于研究電池電極材料充放電機(jī)理和半導(dǎo)體憶阻器電阻變化機(jī)理。已在Science，Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Matter、Nature Communications等重要國(guó)際期刊發(fā)表了SCI論文200余篇。
木士春教授：武漢理工大學(xué)首席教授，國(guó)家級(jí)高層次人才，博士生導(dǎo)師，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士。長(zhǎng)期致力于鋰離子電池材料及電催化材料研究。以第一作者或通訊作者身份在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表高水平論文300余篇。