蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，由香港城市大學(xué)（CityU）的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究小組開發(fā)出一種更穩(wěn)定的錳基正極材料。與現(xiàn)有鈷和鎳正極材料相比，新材料的容量更高，更加耐用。即使充放電次數(shù)增加一倍，也能保持90%的容量。這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)低成本、高效的鋰離子電池錳基正極材料提供了啟示。

（圖片來源：香港城市大學(xué)）

開發(fā)錳基正極材料的技術(shù)瓶頸：容量保持率低

目前，鋰離子電池使用的正極材料大多含有鈷和鎳，這兩種元素儲量不豐富，而且在開采過程中易污染環(huán)境。因此，科學(xué)家們正在尋找替代型正極材料，例如錳。

在領(lǐng)先錳基候選材料中，LiMnO2成本較低，更環(huán)保，而且理論容量更大。但是，這種材料在充放電循環(huán)中穩(wěn)定性差，可能發(fā)生顆粒破碎、結(jié)構(gòu)迅速退化和嚴重的錳溶解，導(dǎo)致電池容量大幅下降，并影響耐久性，使其在商業(yè)化鋰離子電池中的應(yīng)用受到阻礙。

需要克服姜-泰勒畸變

香港城大物理學(xué)系助理教授劉奇博士指出，錳基材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的主要原因，在于原子結(jié)構(gòu)中發(fā)生的姜-泰勒畸變（Jahn-Teller distortion）。在電池放電時，LiMnO2中的Mn-O鍵被拉長，稱為姜-泰勒畸變。由于Mn3+ 的電子軌道存在長程共線軌道有序性，因此產(chǎn)生了很強的協(xié)同姜-泰勒畸變，很容易使原子結(jié)構(gòu)變形。

研究團隊將界面工程應(yīng)用于原子結(jié)構(gòu)，以解決這一問題。通過擾亂長程共線軌道有序性，防止出現(xiàn)大規(guī)模的姜-泰勒畸變。

通過界面工程提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

該團隊通過原位電化學(xué)轉(zhuǎn)換尖晶石Mn3O4納米墻陣列，制備了尖晶石層狀（異質(zhì)結(jié)構(gòu)）LiMnO2。研究發(fā)現(xiàn)，尖晶石和層狀晶界之間的電子軌道幾乎相互垂直，導(dǎo)致界面軌道有序化。劉博士表示：“這干擾了長程共線軌道有序性，因此抑制了姜-泰勒畸變。”

實驗結(jié)果表明，異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計有效地抑制了姜-泰勒畸變。層狀和尖晶石相的畸變度分別只有2.5%和5.5%，而層狀LiMnO2和尖晶石LiMnO2的畸變度要大得多，分別為18%和16%。這意味著異質(zhì)結(jié)構(gòu)LiMnO2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更高。研究小組還發(fā)現(xiàn)，尖晶石相和層狀相的體積變化相互抵消，從而減少材料的總體積變化。因此，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

實現(xiàn)長循環(huán)壽命

劉博士表示：“目前應(yīng)用于智能手機等電子產(chǎn)品的LiCoO2正極材料的容量約為165mAh/g，而我們的LiMnO2正極材料容量更高，已經(jīng)達到了254.3 mAh g?1。商用LiCoO2材料很難在1000次循環(huán)后保持90%的容量。我們的材料經(jīng)過2000次循環(huán)后，容量保持率高達90.4%，并且循環(huán)壽命超長。”

這是首個通過調(diào)控界面軌道有序化來抑制姜-泰勒畸變的團隊。這種新方法將促進開發(fā)可持續(xù)富錳正極材料，并推動其在可持續(xù)和商業(yè)化儲能裝置中的應(yīng)用。劉博士總結(jié)道：“我們期待降低儲能技術(shù)成本，促進能源結(jié)構(gòu)向可持續(xù)化發(fā)展。我們的材料有望替代目前的商業(yè)化鈷材料，用于電子和電動汽車等應(yīng)用。”

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