新材料學院在尖晶石錳酸鋰正極材料缺陷調控研究取得進展
鋰電池電極材料中的結構缺陷是影響其電化學性能的重要因素，不同類型的缺陷會對電極材料的電化學性能產(chǎn)生不同的影響。通過改變材料的組分和合成工藝能夠對正極材料中的點缺陷如反位缺陷進行有效調控，進而達到優(yōu)化材料電化學性能的目的。作為一種與點缺陷不同的二維缺陷，面缺陷出現(xiàn)在正極材料中也將不可避免地影響正極材料中鋰離子的擴散，因此，進一步研究正極材料中面缺陷的產(chǎn)生機理和調控方法，不僅能夠改善材料的電化學性能，而且對于理解電極材料中缺陷與電化學性能之間的關聯(lián)關系具有重要意義。
近日，北京大學深圳研究生院新材料學院肖蔭果和潘鋒團隊通過優(yōu)化合成工藝有效地將反位缺陷和孿晶晶界缺陷引入到尖晶石型錳酸鋰（LiMn2O4）正極材料中，提高了材料的容量和快充性能。隨后借助于包括中子粉末衍射和高分辨掃描透射電子顯微鏡在內的多種先進結構表征方法揭示了缺陷結構，特別是孿晶晶界的形態(tài)和分布，闡明了這些缺陷對于鋰離子在錳酸鋰正極材料中的快速傳輸起到的促進作用。工作內容最近發(fā)表于《自然·通訊》雜志【Nature Communications 12, 3085 (2021).】。
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圖1：通過調控組分和合成工藝在尖晶石錳酸鋰材料中引入孿晶晶界結構示意圖，鋰離子在孿晶晶界附近具有更高的擴散速率。
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研究發(fā)現(xiàn)，通過調控合成過程中的配鋰量與溫度條件，可以有效地在尖晶石錳酸鋰正極材料中誘導產(chǎn)生孿晶晶界缺陷，如圖1所示。對孿晶結構的進一步研究表明，材料中存在兩種類型的孿晶結構，即對稱和非對稱孿晶晶界結構，如圖2所示。通過實驗結果和計算結果相互印證發(fā)現(xiàn)存在錯配的非對稱孿晶晶界的形成能要低于對稱孿晶晶界的形成能，因此更容易在材料內部形成。同時，通過比較尖晶石錳酸鋰體相內部以及孿晶晶界附近鋰離子傳輸?shù)臄U散能壘(圖3)，發(fā)現(xiàn)鋰離子沿孿晶晶界的擴散能壘僅為0.25 eV，遠遠小于體相內部的擴散能壘0.49 eV，這與電化學實驗得到的材料倍率性能和鋰離子擴散系數(shù)結果相一致。這也意味著孿晶晶界的存在能夠有效降低鋰離子擴散過程的能壘，提高鋰離子的擴散速率，進而使得正極材料獲得更加優(yōu)越的電化學性能。
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圖2：尖晶石錳酸鋰材料中存在的對稱式和非對稱錯配式兩種類型孿晶晶界微結構。
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圖3：鋰離子在尖晶石錳酸鋰材料體相中和孿晶晶界附近的擴散模型，以及在不同情況下的擴散能壘和擴散速率對比。
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該工作實現(xiàn)了一種通過缺陷工程方法優(yōu)化尖晶石錳酸鋰正極材料結構和電化學性能的有效策略，并且為設計下一代鋰離子快充材料提供了指導和啟發(fā)。
北京大學深圳研究生院新材料學院肖蔭果副教授和潘鋒教授、散裂中子源科學中心何倫華研究員、德國于利希研究中心金磊研究員是文章的共同通訊作者，新材料學院博士研究生王睿、陳鑫、黃中垣和深圳大學助理教授楊金龍是文章的共同第一作者。該工作得到了國家大科學裝置前沿研究重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、國家自然科學基金大科學裝置聯(lián)合基金、廣東省自然科學基金以及廣東省重點實驗室項目的經(jīng)費支持。
鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23375-7
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