“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”

据世界汽车新闻报道，由香港城市大学( cityu )科学家率领的联合研究小组开发了更稳定的锰系正极材料。 与现有的钴和镍正极材料相比，新材料的容量高、耐久性高。 即使充放电次数增加一倍，也能保持90%的容量。 这一发现为开发廉价高效的锂离子电池锰系正极材料提供了启示。

(图片来源:香港城市大学)

开发锰系正极材料的技术瓶颈:容量维持率低

目前锂离子电池采用的正极材料大多含有钴和镍，这两种元素储量不丰富，开采中容易污染环境。 为此，科学家们正在寻找替代型的正极材料，例如锰。

在锰基领先的候选材料中，limno2价格低、环保、理论容量更大。 但是，该材料在充放电循环中的稳定性差，会引起粒子破碎、结构迅速老化、严重锰溶解，导致电池容量大幅下降，影响耐久性，可能阻碍商业化锂离子电池的应用。

姜-泰勒应变需要克服

港城大学物理学科助理教授刘奇博士指出，锰系材料结构不稳定的主要原因在于原子结构中产生的姜-泰勒应变( jahn-teller distortion )。 电池放电后，limno2中的mn-o键被拉伸，被称为姜-泰勒应变。 由于mn3+的电子轨道具有长距离共线轨道的规律性，因此会产生较强的共力姜-泰勒应变，容易使原子结构变形。

研究小组为了处理这个问题，将接口工程学应用于原子结构。 通过扰乱长距离共线轨道的有序性，防止大规模姜-泰勒畸变的发生。

通过界面工程提高结构稳定性

该小组在原位对尖晶石mn3o4纳米墙阵列进行电化学转换，制备了尖晶石层状(异质结构) limno2。 发现尖晶石和层状晶界之间的电子轨道基本垂直，界面轨道有序化。 刘博士说:“这阻碍了长距离共线轨道的秩序性。 这是因为它抑制了姜-泰勒的应变。”

实验结果表明，异质结构设计比较有效地抑制了姜-泰勒形变。 层状和尖晶石相的应变分别只有2.5%和5.5%，但层状的limno2和尖晶石limno2的应变分别远大于18%和16%。 这意味着异质结构的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，材料的总体积变化减少。 因此，该材料显示出优异的结构稳定性。

实现长循环寿命

刘博士说:“目前高端智能手机等电子产品使用的licoo2正极材料容量约为165mah/g，我们的limno2正极材料容量达到254.3 mah g−1。 商用licoo2材料在1000个循环后不容易维持90%的容量。 我们的材料经过2000次循环，容量保持率达到90.4%，同时循环寿命较长。 ”

这是第一支通过控制界面轨道秩序化来抑制姜泰勒应变的队伍。 这种新方法将促进可持续的富锰正极材料的开发，推动其在可持续、商业性储能装置中的应用。 刘博士说:“我们期待着降低能源储备技术的价格，促进能源结构向可持续化的迅速发展。 我们的材料有望取代目前的商业化钴材料，用于电子和电动汽车等的应用。 ”