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高容量富鋰正極材料的挑戰(zhàn)與最新進(jìn)展

時間:2021-04-09 12:28來源:小小鋰博士 作者:綜合報道
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      隨著消費(fèi)類電子、電動汽車和儲能等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，亟需提升以鋰離子電池為代表的二次儲能設(shè)備的能量密度。在鋰離子電池中，正極材料占據(jù)的成本最大，是提升鋰離子電池能量密度的關(guān)鍵。目前已經(jīng)商業(yè)化的正極材料（如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元正極材料等）的實(shí)際容量已經(jīng)逼近其理論值，難以滿足日益增長的市場需求，因此探索新一代具有高能量密度的正極材料是十分迫切的。

 

富鋰正極材料，如富鋰錳基正極材料（xLi2MnO3•(1–x)LiTMO2, TM = Ni, Mn, Co, 等），具有極高的理論比容量（＞350 mAh/g）和可逆比容量（>250 mAh/g），被認(rèn)為是最有潛力的下一代鋰離子電池正極材料之一。其高容量的來源不僅僅是由過渡金屬離子組成的氧化還原電對（通常為Ni2+/Ni4+, Co3+/Co4+, 少量Mn3+/Mn4+），還有獨(dú)特的陰離子氧化還原電對（O2-/O-/O2）。此外，富鋰錳基正極材料減少了昂貴的Co和Ni的用量，有效降低了生產(chǎn)成本。但是，富鋰錳基正極材料也面臨著首次庫倫效率低、倍率性能差、容量和電壓衰減嚴(yán)重等問題，阻礙了其商業(yè)化進(jìn)程。

 

基于上述背景，廈門大學(xué)材料學(xué)院彭?xiàng)澚?/strong>教授和謝清水特任研究員聯(lián)合中科院物理研究所禹習(xí)謙研究員系統(tǒng)地總結(jié)了近年來富鋰正極材料的研究進(jìn)展。本文完整地歸納了富鋰錳基正極材料的晶體結(jié)構(gòu)、反應(yīng)機(jī)理和現(xiàn)存的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)地討論了各種改性策略的優(yōu)劣和應(yīng)用。此外，本文還介紹了其它種類富鋰正極材料（比如巖鹽富鋰和鐵基硫化物富鋰正極材料等）和富鋰全電池的發(fā)展現(xiàn)狀。最后，文章展望了富鋰正極材料未來的研究方向。通過對近年來富鋰正極材料領(lǐng)域發(fā)表的相關(guān)工作的分析和歸納，本文提出了富鋰正極材料的改性策略正在朝著單一方法多功能和多策略協(xié)同改性的趨勢發(fā)展等觀點(diǎn)，為富鋰正極材料未來的發(fā)展提供了新的啟示和思路。

圖1. 富鋰錳基正極材料從晶體結(jié)構(gòu)到實(shí)際應(yīng)用各個階段面臨的挑戰(zhàn)和策略概述。圖片來源：Adv. Mater.

圖2. （a，b）巖鹽結(jié)構(gòu)富鋰正極材料Li1.3Nb0.3Mn0.4O2的電壓曲線以及（c）巖鹽Li2Ni1/3Ru2/3O3的原位拉曼光譜。（d）鐵基硫化物富鋰正極材料在C/20條件下和1.8-3 V電壓范圍的的前兩個循環(huán)電壓曲線。圖片來源：Adv. Mater.

 

這一成果近期發(fā)表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是廈門大學(xué)材料學(xué)院博士研究生何偉和郭慰彬。

 

Challenges and Recent Advances in High Capacity Li-Rich Cathode Materials for High Energy Density Lithium-Ion Batteries

Wei He, Weibin Guo, Hualong Wu, Liang Lin, Qun Liu, Xiao Han, Qingshui Xie,* Pengfei Liu, Hongfei Zheng, Laisen Wang, Xiqian Yu,* and Dong-Liang Peng* 

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202005937
 

(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電池 富鋰正極材料
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