刘向峰课题组：中子与同步辐射揭示富锂材料中的氧离子反应及调控机制

高比能锂离子电池正极材料的缺失是制约电动汽车规模化应用的瓶颈。富锂锰基层状氧化物正极材料因比能量高而格外受到关注。但是，却存在首圈库伦效率低、电压衰退、循环稳定差等问题。目前普遍认为，富锂锰基层状氧化物具有高比容量的原因是除了过渡金属阳离子参与氧化还原反应外，晶格中的氧离子也参与电荷补偿。而氧离子的氧化还原反应与正极材料的结构相变、循环稳定性以及电压衰减等密切相关。因此，如何改善氧离子氧化还原反应的活度和可逆性，减少氧气的不可逆释放及其引起的循环性稳定差、电压衰减、安全性等问题是富锂锰基层状氧化物正极材料面临的重大挑战。

针对这一问题，中国科学院大学刘向峰教授（点击查看介绍）课题组提出了一种集Li₂SnO₃包覆、Sn掺杂及尖晶石异质结构“三位一体”的改性策略，并通过中子衍射、软X射线吸收谱等揭示了该一体化策略对氧离子氧化还原反应活度和可逆性的调控机制（图1）。研究结果表明，该 “三位一体”策略能够显著改善氧离子氧还还原反应的活性和可逆性，减少氧气不可逆释放。同时，库伦效率、比容量、倍率特性及循环性等均获得了显著改善，而且电压衰减也得到了有效抑制。 Li₂SnO₃包覆、Sn掺杂及尖晶石异质结构三位一体的协同作用主要体现在：Li₂SnO₃纳米包覆层减少了表面晶格氧的不可逆氧化，尖晶石异质结构和Sn掺杂不仅改善了氧离子氧化还原反应活性和可逆性，而且降低了Li/Ni混排，提高了锂离子扩散系数。该研究对于如何调控氧离子氧化还原反应活度和可逆性以提高富锂锰基氧化物正极材料的电化学性能具有指导意义。

图1. 集Li₂SnO₃包覆、Sn掺杂及尖晶石异质结构“三位一体”的改性策略

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，并被选为内封面文章（图2）。文章的第一作者是中国科学院大学的博士研究生李庆远。该项工作还得到了上海光源、德国亥姆赫兹柏林中心等科学家的支持。该研究得到了国家自然科学基金、中科院国际合作项目、中科院重大仪器研制项目、中科院先导计划、中科院百人计划等项目的支持。

图2. 文章内封面

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tuning Anionic Redox Activity and Reversibility for a High-Capacity Li-rich Mn-based Oxide Cathode via an Integrated Strategy

Qingyuan Li, Dong Zhou, Lijuan Zhang, De Ning, Zhenhua Chen, Zijian Xu, Rui Gao, Xinzhi Liu, Donghao Xie, Gerhard Schumacher, Xiangfeng Liu*

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806706, DOI: 10.1002/adfm.201806706

导师介绍

刘向峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/43034