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

据外媒报道，由香港城市大学科学家领导的联合研究小组开发出了一种更稳定的锰基正极材料。与现有的钴和镍正极材料相比，新材料的容量更高，更耐用。即使充放电次数翻倍，也能维持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启示。

(来源:香港城市大学)

发展锰基正极材料的技术瓶颈:低容量保持率

目前锂离子电池使用的正极材料大多含有钴和镍，储量并不丰富，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，如锰。

在领先的锰基候选材料中，LiMnO2成本更低，更环保，理论容量更大。但这种材料在充放电循环中稳定性较差，可能会出现颗粒破碎、结构快速降解和锰严重溶出等现象，导致电池容量大幅下降，影响耐久性，从而阻碍其在商用锂离子电池中的应用。

需要克服江-泰勒畸变

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在于原子结构中的Jahn-Teller畸变。当电池放电时，LiMnO2中的Mn-O键被拉长，称为江-泰勒畸变。由于Mn3+电子轨道的长程共线轨道序，存在很强的协同江-泰勒畸变，容易使原子结构发生畸变。

研究小组将界面工程应用于原子结构来解决这一问题。通过扰乱长程共线轨道的顺序，可以防止大规模的江-泰勒畸变。

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(异质结构)LiMnO2。发现尖晶石和层状晶界之间的电子轨道几乎相互垂直，从而导致界面轨道的有序化。刘博士说:“这干扰了长程共线轨道的顺序，从而抑制了江-泰勒畸变。”

实验结果表明，异质结构设计可以有效地抑制江-泰勒畸变。层状和尖晶石相的畸变程度分别只有2.5%和5.5%，而层状LiMn2和尖晶石LiMn2的畸变程度要大得多，分别为18%和16%。这意味着异质结构LiMnO2的结构稳定性更高。研究小组还发现，尖晶石相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，该材料表现出优异的结构稳定性。

实现长循环寿命

刘博士表示:“目前智能手机和其他电子产品中使用的LiCoO2正极材料的容量约为165mAh/g，而我们的LiMnO2正极材料的容量更高，达到254.3 mAh G1。商业LiCoO2材料很难在1000次循环后保持90%的容量。经过2000次循环后，我们的材料容量保持率达到90.4%，循环寿命长。”

这是第一个通过调节界面轨道排序来抑制江-泰勒畸变的团队。这种新方法将促进可持续富锰正极材料的发展及其在可持续和商业化储能装置中的应用。刘博士总结道:“我们期待降低储能技术的成本，促进能源结构的可持续发展。我们的材料有望取代目前商业钴材料，用于电子和电动汽车等应用。”据外媒报道，由香港城市大学科学家领导的联合研究小组开发出了一种更稳定的锰基正极材料。与现有的钴和镍正极材料相比，新材料的容量更高，更耐用。即使充放电时间……都翻了一番，90%的容量都可以维持。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启示。

(来源:香港城市大学)

发展锰基正极材料的技术瓶颈:低容量保持率

目前锂离子电池使用的正极材料大多含有钴和镍，储量并不丰富，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，如锰。

在领先的锰基候选材料中，LiMnO2成本更低，更环保，理论容量更大。但这种材料在充放电循环中稳定性较差，可能会出现颗粒破碎、结构快速降解和锰严重溶出等现象，导致电池容量大幅下降，影响耐久性，从而阻碍其在商用锂离子电池中的应用。

需要克服江-泰勒畸变

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在于原子结构中的Jahn-Teller畸变。当电池放电时，LiMnO2中的Mn-O键被拉长，称为江-泰勒畸变。由于Mn3+电子轨道的长程共线轨道序，存在很强的协同江-泰勒畸变，容易使原子结构发生畸变。

研究小组将界面工程应用于原子结构来解决这一问题。通过扰乱长程共线轨道的顺序，可以防止大规模的江-泰勒畸变。

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(异质结构)LiMnO2。发现尖晶石和层状晶界之间的电子轨道几乎相互垂直，从而导致界面轨道的有序化。刘博士说:“这干扰了长程共线轨道的顺序，从而抑制了江-泰勒畸变。”

实验结果表明，异质结构设计可以有效地抑制江-泰勒畸变。层状和尖晶石相的畸变程度分别只有2.5%和5.5%，而层状LiMn2和尖晶石LiMn2的畸变程度要大得多，分别为18%和16%。这意味着异质结构LiMnO2的结构稳定性更高。研究小组还发现，尖晶石相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，该材料表现出优异的结构稳定性。

实现长循环寿命

刘博士表示:“目前智能手机和其他电子产品中使用的LiCoO2正极材料的容量约为165mAh/g，而我们的LiMnO2正极材料的容量更高，达到254.3 mAh G1。商业LiCoO2材料很难在1000次循环后保持90%的容量。经过2000次循环后，我们的材料容量保持率达到90.4%，循环寿命长。”

这是第一个通过调节界面轨道排序来抑制江-泰勒畸变的团队。这种新方法将促进可持续富锰正极材料的发展及其在可持续和商业化储能装置中的应用。刘博士总结道:“我们期待降低储能技术的成本，促进能源结构的可持续发展。我们的材料有望取代目前商业钴材料，用于电子和电动汽车等应用。”

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