曾煒豪等 科學材料站 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
通訊作者：吳勁松，木士春
通訊單位：武漢理工大學
研 究 背 景
鋰離子電池在快速充電技術領域的顯著進步引發了廣泛關注，其中，LiMn2O4（LMO）正極材料以其獨特的三維鋰離子擴散通道展現出優異的離子傳導潛力，被視為高性能電池的關鍵候選材料。然而，該材料在高電流密度下的倍率性能瓶頸及伴隨的結構退化問題，嚴重制約了其商業化應用的進程。
文 章 簡 介
近期，武漢理工大學的吳勁松教授與木士春教授在頂尖學術期刊《Nature Communications》上發表了題為“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，深入剖析了其擴散動力學受限的根源，并提出了基于熵調控的改性策略。通過系統考察不同陽離子摻雜及構型熵對LMO中Li+擴散機制的影響，該研究為開發極速快充性能的正極材料提供了思路和解決方案，有助于推動鋰離子電池技術的進一步發展。
圖1 陽離子摻雜對錳酸鋰正極材料的局域結構和擴散勢壘的影響
本 文 要 點
要點一：LMO擴散動力學衰減機制
本文通過精細的結構表征技術，闡明了在深度充電條件下，LMO內部因電化學應力作用而誘發的{111}層錯缺陷的不可逆形成機制。該層錯缺陷中的MnO6八面體協同傾轉占據了尖晶石結構的16c位點，直接導致三維離子傳輸通道的幾何畸變與性能退化。
要點二：摻雜元素對Li+擴散的促進作用
本文基于理論計算，篩選了Cu、Mg、Fe、Ni、Zn五種金屬元素作為摻雜劑。該五種元素通過其獨特的電荷離域特性，有效降低了Li+在三維通道中的擴散能壘，并強化了Mn-O骨架的共價性，從而實現了對LMO三維擴散通道的結構穩定與性能優化。
要點三：熵增效應對離子擴散性能的增強作用
本文通過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對材料離子擴散性能的正面影響。熵增不僅促進了晶體結構的無序化及化學短程無序，還顯著提高了摻雜離子在晶格中的分布均勻性，進而促進了Li+的擴散效率。該機制有效遏制了非均勻電化學應力的累積，防止了長期循環過程中三維通道的結構破壞，為LMO正極材料在高倍率下的穩定運行提供了有力保障。
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 介
吳勁松教授：武漢理工大學納微結構研究中心執行主任，國家海外高層次人才，中國電子顯微學會理事。發展了原位高分辨電子顯微學，并應用于研究電池電極材料充放電機理和半導體憶阻器電阻變化機理。已在Science，Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Matter、Nature Communications等重要國際期刊發表了SCI論文200余篇。
木士春教授：武漢理工大學首席教授，國家級高層次人才，博士生導師，英國皇家化學會會士。長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.等國內外期刊上發表高水平論文300余篇。