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研究人员开发新型锰基正极材料 使锂电池充放电次数翻倍

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58京牌 ,由香港城市大学(CityU)的科学家领导的联合研究小组开发出一种更稳定的锰基正极材料。与现有钴和镍正极材料相比,新材料的容量更高,更加耐用。即使充放电次数增加一倍,也能保持90%的容量。这一发现为开发低成本、高效的锂离子电池锰基正极材料提供了启示。

(图片来源:香港城市大学)

开发锰基正极材料的技术瓶颈:容量保持率低

目前,锂离子电池使用的正极材料大多含有钴和镍,这两种元素储量不丰富,而且在开采过程中易污染环境。因此,科学家们正在寻找替代型正极材料,例如锰。

在领先锰基候选材料中,LiMnO2成本较低,更环保,而且理论容量更大。但是,这种材料在充放电循环中稳定性差,可能发生颗粒破碎、结构迅速退化和严重的锰溶解,导致电池容量大幅下降,并影响耐久性,使其在商业化锂离子电池中的应用受到阻碍。 

 

需要克服姜-泰勒畸变

香港城大物理学系助理教授刘奇博士指出,锰基材料结构不稳定的主要原因,在于原子结构中发生的姜-泰勒畸变(Jahn-Teller distortion)。在电池放电时,LiMnO2中的Mn-O键被拉长,称为姜-泰勒畸变。由于Mn3+ 的电子轨道存在长程共线轨道有序性,因此产生了很强的协同姜-泰勒畸变,很容易使原子结构变形。

研究团队将界面工程应用于原子结构,以解决这一问题。通过扰乱长程共线轨道有序性,防止出现大规模的姜-泰勒畸变。

 

通过界面工程提高结构稳定性

该团队通过原位电化学转换尖晶石Mn3O4纳米墙阵列,制备了尖晶石层状(异质结构)LiMnO2。研究发现,尖晶石和层状晶界之间的电子轨道几乎相互垂直,导致界面轨道有序化。刘博士表示:“这干扰了长程共线轨道有序性,因此抑制了姜-泰勒畸变。”

实验结果表明,异质结构设计有效地抑制了姜-泰勒畸变。层状和尖晶石相的畸变度分别只有2.5%和5.5%,而层状LiMnO2和尖晶石LiMnO2的畸变度要大得多,分别为18%和16%。这意味着异质结构LiMnO2的结构稳定性更高。研究小组还发现,尖晶石相和层状相的体积变化相互抵消,从而减少材料的总体积变化。因此,该材料表现出优异的结构稳定性。

实现长循环寿命

刘博士表示:“目前应用于智能手机等电子产品的LiCoO2正极材料的容量约为165mAh/g,而我们的LiMnO2正极材料容量更高,已经达到了254.3 mAh g−1。商用LiCoO2材料很难在1000次循环后保持90%的容量。我们的材料经过2000次循环后,容量保持率高达90.4%,并且循环寿命超长。”

这是首个通过调控界面轨道有序化来抑制姜-泰勒畸变的团队。这种新方法将促进开发可持续富锰正极材料,并推动其在可持续和商业化储能装置中的应用。刘博士总结道:“我们期待降低储能技术成本,促进能源结构向可持续化发展。我们的材料有望替代目前的商业化钴材料,用于电子和等应用。”

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