曾煒豪等 科學(xué)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(xué)
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研 究 背 景
鋰離子電池在快速充電技術(shù)領(lǐng)域的顯著進步引發(fā)了廣泛關(guān)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(xiàn)出優(yōu)異的離子傳導(dǎo)潛力，被視為高性能電池的關(guān)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(jié)構(gòu)退化問題，嚴(yán)重制約了其商業(yè)化應(yīng)用的進程。
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文 章 簡 介
近期，武漢理工大學(xué)的吳勁松教授與木士春教授在頂尖學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上發(fā)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(xué)受限的根源，并提出了基于熵調(diào)控的改性策略。通過系統(tǒng)考察不同陽離子摻雜及構(gòu)型熵對LMO中Li+擴散機制的影響，該研究為開發(fā)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(shù)的進一步發(fā)展。
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本 文 要 點
要點一：LMO擴散動力學(xué)衰減機制
本文通過精細(xì)的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，闡明了在深度充電條件下，LMO內(nèi)部因電化學(xué)應(yīng)力作用而誘發(fā)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(xié)同傾轉(zhuǎn)占據(jù)了尖晶石結(jié)構(gòu)的16c位點，直接導(dǎo)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(xiàn)了對LMO三維擴散通道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與性能優(yōu)化。
要點三：熵增效應(yīng)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(yīng)對材料離子擴散性能的正面影響。熵增不僅促進了晶體結(jié)構(gòu)的無序化及化學(xué)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(xué)應(yīng)力的累積，防止了長期循環(huán)過程中三維通道的結(jié)構(gòu)破壞，為LMO正極材料在高倍率下的穩(wěn)定運行提供了有力保障。
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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
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通 訊 作 者 簡 介
吳勁松教授：武漢理工大學(xué)納微結(jié)構(gòu)研究中心執(zhí)行主任，國家海外高層次人才，中國電子顯微學(xué)會理事。發(fā)展了原位高分辨電子顯微學(xué)，并應(yīng)用于研究電池電極材料充放電機理和半導(dǎo)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(fā)表了SCI論文200余篇。
木士春教授：武漢理工大學(xué)首席教授，國家級高層次人才，博士生導(dǎo)師，英國皇家化學(xué)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(nèi)外期刊上發(fā)表高水平論文300余篇。