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

据外国媒体报道，由香港城市大学科学家领导的联合研究小组开发出一种更稳定的锰基阴极材料。与现有的钴和镍阴极材料相比，这种新材料具有更高的容量和更耐用的性能。即使充电和放电次数增加一倍，也可以保持90%的容量。这一发现为开发低成本、高效的锂离子电池锰基正极材料提供了灵感。

开发锰基阴极材料的技术瓶颈是容量保持率低。目前，锂离子电池中使用的正极材料大多含有钴和镍，储量不丰富，在开采过程中容易污染环境。因此，科学家们正在寻找替代的阴极材料，例如锰。在领先的锰基候选材料中，LiMnO2成本更低，更环保，并且具有更大的理论容量。然而，这种材料在充电和放电循环过程中稳定性较差，可能导致颗粒破碎、结构快速退化和锰的严重溶解，导致电池容量显著降低并影响耐久性，阻碍其在商用锂离子电池中的应用。

有必要克服张泰勒失真。香港城市大学物理系助理教授刘琦博士指出，锰基材料结构不稳定的主要原因是原子结构中的Jang Taylor畸变。在电池放电过程中，LiMnO2中的Mn-O键被拉长，称为Ginger-Taylor畸变。由于Mn3+电子轨道中存在长程共线轨道有序，产生了强协同的Jang-Taylor畸变，容易使原子结构变形。研究小组将界面工程应用于原子结构来解决这个问题。通过破坏长程共线轨道的秩序，可以防止大规模的Ginger-Taylor畸变。

通过界面工程提高结构稳定性该团队通过尖晶石Mn3O4纳米壁阵列的原位电化学转化制备了尖晶石层状LiMnO2。研究发现，尖晶石和层状晶界之间的电子轨道几乎相互垂直，导致界面轨道有序。刘博士说，“这干扰了长程共线轨道的有序性，从而抑制了蒋泰勒畸变。”实验结果表明，异质结构设计有效地抑制了蒋Taylor畸变。层状和尖晶石相的畸变分别仅为2.5%和5.5%，而层状LiMnO2和尖晶石LiMnO2的畸变要大得多，分别为18%和16%。这意味着异质结构LiMnO2的结构稳定性更高。研究团队还发现，尖晶石和层状相的体积变化相互抵消，从而减少了材料的总体积变化。因此，该材料显示出优异的结构稳定性。刘博士说：“智能手机等电子产品中使用的LiCoO2正极材料的当前容量约为165mAh/g，而我们的LiMnO2正极材料容量更高，达到254.3mAh g？1。商业LiCoO2材料很难在1000次循环后保持其90%的容量。经过2000次循环后，我们的材料具有90.4%的容量保持率和超长的循环寿命。这是第一个通过调节界面轨道有序来抑制Jiang-Taylor畸变的团队。这种新方法将促进可持续富锰阴极材料的发展，并促进其在可持续和商业储能装置中的应用。刘博士总结道：“我们期待着降低储能成本，促进能源结构的可持续发展。我们的材料有望取代目前的商用钴材料，用于电子和电动汽车等应用。”

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