材料学院刘向峰课题组：高比能富锂锰基氧化物正极材料的结构调控与性能优化

作者：李庆远

随着电动汽车的普及，对高能量密度锂离子电池的需求也越来越大。富锂锰基正极材料由于具有超过300 mAh/g的容量，以及高的工作电压，被认为是下一代动力型锂离子电池的首选。然而富锂锰基正极材料的氧离子氧化还原反应提供高容量的同时，也引起了像电压衰减，结构退化以及不可逆氧气损失等一系列问题。

针对这些问题，刘向峰教授课题组提出了“三效合一”协同策略来同时调控无钴富锂锰基正极材料Li1.2Mn0.6Ni0.2O2的阴离子和阳离子氧化还原反应。该策略整合了Na掺杂Li位，Si替代Mn和Na2SiO3包覆的三种协同效应。与未改性的原始样品或Li2SiO3包覆样品相比，由于“三合一”效应，正极材料的电压衰减、较差的倍率性能、结构退化和氧气释放等问题均得到了很大缓解。“三合一”效应主要体现在：1）包覆层阻碍了副反应的发生和过渡金属（TM）的溶解。2）Na+掺杂到Li层促进了锂离子的传输动力学，同时由于Si-O键的键能更大，掺杂到过渡金属位点中的Si4+增强了层状结构的稳定性，减少了过渡金属的迁移。3）该集成策略还适度降低了TM-O键的共价性，改善了阴离子氧化还原化学的可逆性并抑制氧的释放。这种“三合一”协同策略对如何调节阴离子和阳离子氧化还原化学以开发高性能正极材料具有重要的指导意义。

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该成果发表在美国化学会著名杂志Chemistry of Materials上（Tuning Both Anionic and Cationic Redox Chemistry of Li-Rich Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 via a “Three-in-One” Strategy，Chem. Mater. 2020, https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03460）。李庆远为第一作者，研究得到了美国橡树岭国家实验室、德国赫姆霍兹柏林材料与能源中心BessyII光源等合作者的帮助和支持。

该工作得到了中科院国际合作项目、国家自然科学基金委、中科院重大仪器研发项目、中科院先导研究计划、北京市自然科学基金委以及中央高校基础研究项目的资助。