近年來(lái)，隨著鋰離子電池在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，人們對(duì)鋰離子電池性能的要求也在不斷提高，特別是電池的能量密度和循環(huán)性能，這主要決定于其正極材料。相比于傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料，單位質(zhì)量富鋰錳基正極材料（Li1+xM1？xO2, 0<x<1）中有更多的鋰離子參與能量存儲(chǔ)，且在活性陽(yáng)離子參與反應(yīng)的基礎(chǔ)上，富鋰錳基材料中還有部分陰離子可參與氧化還原過(guò)程，貢獻(xiàn)額外容量，因而材料具有高達(dá)300mAh/g的比容量。然而，在電池反應(yīng)過(guò)程中，應(yīng)力積累、晶格氧流失等會(huì)引發(fā)富鋰錳基材料出現(xiàn)微裂紋，過(guò)渡金屬離子遷移會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生相變及其它一些有害的副反應(yīng)，使得實(shí)際的電池性能不夠理想。如何有效避免電池循環(huán)過(guò)程中的這些不利因素，是提升材料性能，使材料將來(lái)能夠真正實(shí)用的關(guān)鍵。
基于此，科研人員通過(guò)在富鋰錳基材料表面同步進(jìn)行硫摻雜和共格尖晶石相的原位生長(zhǎng)，并結(jié)合陰離子和氧空位優(yōu)化策略，成功制備出一種高性能的富鋰錳基鋰離子電池正極材料。材料中與內(nèi)部層狀相共格的外延尖晶石包覆層在電池反應(yīng)過(guò)程中可有效避免電解液與活性材料之間的直接接觸，為鋰離子的擴(kuò)散提供三維通道。另外，摻雜的硫元素可以擴(kuò)大表面層狀相材料的晶面間距，降低電荷在材料中轉(zhuǎn)移的能壘，硫元素和過(guò)渡金屬元素間形成的化學(xué)鍵還可以調(diào)節(jié)不可逆陰離子氧化還原，穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，硫元素?fù)诫s誘導(dǎo)出的氧空位還可以抑制表面活性氧的損失，保護(hù)體相結(jié)構(gòu)的完整性。在表面層多功能修飾的作用下，這種富鋰錳基材料具有非常優(yōu)異的性能，特別是循環(huán)性能：半電池循環(huán) 600 圈后容量保持率可達(dá)82.1%，和商用石墨負(fù)極組裝成的軟包全電池能量密度可達(dá)604 Wh kg-1，循環(huán)140圈后，容量保持率為81.7%。
近年來(lái)，趙邦傳研究員課題組在高比能富鋰錳基鋰離子電池正極材料制備和性能調(diào)控方面開(kāi)展了系統(tǒng)的工作，取得了系列研究成果，在Chemical Engineering Journal、 Journal of Materials Science & Technology、Langmuir及ACS Applied Energy Materials等期刊上發(fā)表了系列論文。相關(guān)工作可為富鋰錳基材料的進(jìn)一步改性提供借鑒，研發(fā)的富鋰錳基材料為高比能鋰離子電池設(shè)計(jì)和制備提供了材料基礎(chǔ)。
上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1385894722058788
相關(guān)文章鏈接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0169433222014532
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.1c01941
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.1c00225
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1005030218303529
https://link.springer.com/article/10.1007/s10008-018-3953-8
