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新型富锂锰基正极实现锂离子电池能量密度超1100 Wh/kg

先进能源科技战略情报研究中心 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-11-18 17:35

正文

无序岩盐（DRX）锂离子电池正极材料由于不含钴和镍，并且拥有较高的能量密度而受到广泛关注，但当电压过高时会发生氧氧化还原反应，影响其循环寿命，因此提升其稳定性是关键。另一方面，锂离子电池正极主要采用面心立方体结构，DRX和尖晶石都属于该结构，其特点是高能量密度但低稳定性。

麻省理工学院和清华大学合作，设计出一种全新的岩盐-聚阴离子复合正极材料，通过将聚阴离子基团融入岩盐型晶格中，从而显著提高了材料的循环稳定性和能量密度。制备的锂锰磷氧化物Li1.67Mn1.5P0.17O4正极材料在4.8V的高电压下放电能量密度约为1120 Wh/kg，并且在循环100次后仍能保持72%的容量。此外还制备了一系列的无序岩盐聚阴离子尖晶石（DRXPS）正极，具有高容量（>350 mAh g-1）、高能量密度（>1,100 Wh kg-1）、稳定性（100次循环后能量密度保持率>70%）、良好的倍率性能和高度可调的成分空间。研究人员首先为了克服岩盐与聚阴离子结构之间的不相容问题采用一锅机械化学方法制备了Li1.67Mn1.5P0.17O4团聚体，扫描电镜（SEM）图像显示其团聚体平均尺寸约为150 nm，扫描透射电镜能量色散能谱图（STEM-EDS）表明其Mn、P和O分布均匀，透射电镜（TEM）图像显示其颗粒为多晶结构。这些形貌结构的表征揭示出材料具有单一的立方尖晶石结构，且磷元素在晶格中分布均匀。接着研究者在1.5至4.8 V的电压范围内，测试了Li1.67Mn1.5P0.17O4与Li/Li+在室温下的电化学性能，发现前两个循环在20 mA g-1条件下的恒流充放电曲线，放电容量约为365 mAh g-1，放电能量密度约为1120 Wh kg-1，第二次循环显示出与第一次相似的放电曲线，表明具有良好的可逆性。随后在20-1000 mA g-1范围内测试了Li1.67Mn1.5P0.17O4的倍率性能。当恒流电流密度从20 mA g-1增加到200 mA g-1和1000 mA g-1时，分别观察到75%和51%的容量保留。之后在1.5 - 4.8 V和Li/Li+之间的50 mA g-1条件下，经过两次20 mA g-1的形成循环，测试了其循环性能。经过100次循环后，其容量保持率为72%，平均放电电压保持在3 V以上。最后，研究人员组装了Li1.67Mn1.5P0.17O4|锂金属阳极袋状电池，在1.5和4.8 V之间和50 mA g-1下，实现了74%的良好容量保持和3.11 V左右的稳定放电电压。此外还探索了DRXPS家族的扩展性，如改变P的掺杂量、用铁替换锰，DRXPS化合物均表现出较高的能量密度和优异的循环性能，表明DRXPS中的过渡金属化学具有高度可调性。

图1 DRXPS正极材料合成示意图

本研究开发了一种锂离子电池新型富锂锰基正极材料，该材料通过集成岩盐型和聚阴离子型结构，并引入过量的锂，达到了超高的电池能量密度以及良好的循环寿命。该研究为使用锰、铁等廉价金属替代昂贵的钴、镍开发正极材料提供新的设计思路，为开发高性能锂离子电池开辟了新途径。研究成果发表在《Nature Energy》。

（张艺汤匀）

文献来源：Huang Y, Dong Y, Yang Y, et al. Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling. Nature Energy, 2024, DOI:10.1038/s41560-024-01615-6

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