Nature：1000 Wh\/kg，锂电池新型Mn正极为电动汽车带来新希望！

纳米人 · 公众号 · · 2018-04-12 07:56

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第一作者：Jinhyuk Lee

通讯作者：Gerbrand Ceder, Jinhyuk Lee

第一单位：加州大学伯克利分校（美国）

自 20 世纪 90 年代，首次商业应用于便携式电子器件以来，锂离子电池的发展已经走过接近 30 年。目前，锂离子电池除了在电子器件上应用，还越来越多地在交通运输和电网等领域发挥作用。

当今世界，电动汽车出货量已经占到所有汽车出货总量的 1% 。这就决定了目前大部分锂电池生产商都将以电动汽车应用为主要目标。而锂离子电池想要在电动汽车上规模化使用，就必须同时满足安全、低成本、高能量储存以及不受自然资源限制等一系列要求。

目前，大部分锂离子电池依赖于 Ni 和 Co 两种过渡金属。其中，电子器件领域主要依赖于 LiCoO ₂ 正极，电动汽车领域主要依赖于富 Ni 正极。

图 1. 锂离子电池正极材料层状结构

Whittingham, M. S. Lithium batteries and cathode materials. Chem. Rev. 2014, 104, 4271–4302.

问题在于： Co 和 Ni 属于资源紧缺型元素，恐怖难以满足全球运输领域大规模的商业应用。而基于 Fe 和 Mn 等丰富资源的正极虽然有所应用，但是能量密度太低。

有鉴于此，美国加州大学伯克利分校 Gerbrand Cede, 和 Jinhyuk Lee 团队报道了一种基于 Mn ²⁺ /Mn ⁴⁺ 可逆氧化还原电对的高能量密度锂离子电池正极材料！

图 2. Li ₂ Mn _2/3 Nb _1/3 O ₂ F 设计和结构表征

图 3. Li ₂ Mn _1/2 Ti _1/2 O ₂ F 设计和结构表征

研究人员采取了两个策略来降低正极材料中 Mn 的价态,：一方面，引入高价阳离子（ Nb ⁵⁺ 或 Ti ⁴⁺ ）进行取代；另一方面，利用 F- 替换部分 O ^2- 。研究人员以 Li ₂ Mn _2/3 Nb _1/3 O ₂ F 和 Li ₂ Mn _1/2 Ti _1/2 O ₂ F 作为研究目标， Mn ²⁺ /Mn ⁴⁺ 氧化还原理论容量分别为 270 mAh g ⁻¹ 和 230 mAh g ⁻¹ 。