Entropy-increased LiMn2O4-based positive electrodes for fast-charging lithium metal batteries-Shichun Mu's group

研究概述在实际应用中需要快速充电的非水系锂基电池。在这方面，LiMn₂O₄因为三维锂离子扩散通道的存在而具有良好的离子扩散性，被认为是一种有吸引力的正极材料。然而，LiMn₂O₄在高电流下表现出较差的倍率性能和快速的结构退化。基于此，2024年8月27日，武汉理工大学吴劲松教授、木士春教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Entropy-increased LiMn₂O₄-based positive electrodes for fast-charging lithium metal batteries》的研究论文。为了解决这些问题，作者引入了五倍低价阳离子来增加LiMn₂O₄的熵。实验结果表明，熵增的LiMn₂O₄基材料，即LiMn_1.9Cu_0.02Mg_0.02Fe_0.02 Zn_0.02Ni_0.02O₄，在非水系锂金属扣式电池配置中测试时，可在25℃和1.48A?g^?1下实现1000次电池循环（对应于电池充电时间4分钟），放电容量保持率约为80%。研究证明，LiMn₂O₄中熵的增加导致了掺杂剂阳离子无序性的增加和局部结构的收缩，其中扩大的LiO₄空间和增强的Mn-O共价性改善了Li离子传输并稳定了扩散通道。作者还证明，在高电池充电状态下循环所引起的应力可以通过固溶体转变的弹性变形得以缓解，从而避免了长时间循环后的结构退化。图文解读

图1：元素掺杂剂在LMO中的局域结构和扩散势垒

图2：锂金属扣式电池结构中EI-LMO基电极的锂离子存储性能图3：非原位和原位物理化学表征文献信息Zeng, W., Xia, F., Wang, J. et al. Entropy-increased LiMn₂O₄-based positive electrodes for fast-charging lithium metal batteries. Nat Commun 15, 7371 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51168-1