曾炜豪等 科学材料站 2024年08月31日 10:50 安徽

用于快充锂电池的熵增型LiMn₂O₄正极

第一作者：曾炜豪，夏凡杰，王娟，杨金龙，彭昊阳

通讯作者：吴劲松，木士春

通讯单位：武汉理工大学

研 究 背 景

锂离子电池在快速充电技术领域的显著进步引发了广泛关注，其中，LiMn₂O₄（LMO）正极材料以其独特的三维锂离子扩散通道展现出优异的离子传导潜力，被视为高性能电池的关键候选材料。然而，该材料在高电流密度下的倍率性能瓶颈及伴随的结构退化问题，严重制约了其商业化应用的进程。

文 章 简 介

近期，武汉理工大学的吴劲松教授与木士春教授在顶尖学术期刊《Nature Communications》上发表了题为“Entropy-Increased LiMn₂O₄-Based Positive Electrodes for Fast-Charging Lithium Metal Batteries”的研究论文。该文章揭示了LMO在高倍率条件下的性能局限，深入剖析了其扩散动力学受限的根源，并提出了基于熵调控的改性策略。通过系统考察不同阳离子掺杂及构型熵对LMO中Li+扩散机制的影响，该研究为开发极速快充性能的正极材料提供了思路和解决方案，有助于推动锂离子电池技术的进一步发展。

图1 阳离子掺杂对锰酸锂正极材料的局域结构和扩散势垒的影响

本 文 要 点

要点一：LMO扩散动力学衰减机制

本文通过精细的结构表征技术，阐明了在深度充电条件下，LMO内部因电化学应力作用而诱发的{111}层错缺陷的不可逆形成机制。该层错缺陷中的MnO₆八面体协同倾转占据了尖晶石结构的16c位点，直接导致三维离子传输通道的几何畸变与性能退化。

要点二：掺杂元素对Li+扩散的促进作用

本文基于理论计算，筛选了Cu、Mg、Fe、Ni、Zn五种金属元素作为掺杂剂。该五种元素通过其独特的电荷离域特性，有效降低了Li⁺在三维通道中的扩散能垒，并强化了Mn-O骨架的共价性，从而实现了对LMO三维扩散通道的结构稳定与性能优化。

要点三：熵增效应对离子扩散性能的增强作用

本文通过将上述五种元素以混合掺杂的方式引入LMO晶格，深入探讨了熵增效应对材料离子扩散性能的正面影响。熵增不仅促进了晶体结构的无序化及化学短程无序，还显著提高了掺杂离子在晶格中的分布均匀性，进而促进了Li⁺的扩散效率。该机制有效遏制了非均匀电化学应力的累积，防止了长期循环过程中三维通道的结构破坏，为LMO正极材料在高倍率下的稳定运行提供了有力保障。

文 章 链 接

Weihao Zeng, Fanjie Xia, Juan Wang, Jinlong Yang, Haoyang Peng, Wei Shu, Quan Li, Hong Wang, Guan Wang, Shichun Mu*, Jinsong Wu*. Entropy-increased LiMn₂O₄-based positive electrodes for fast charging lithium metal batteries. Nature Communication, 2024, 15, 7371.

https://doi.org/10.1038/s41467-024-51168-1

通 讯 作 者 简 介

吴劲松教授：武汉理工大学纳微结构研究中心执行主任，国家海外高层次人才，中国电子显微学会理事。发展了原位高分辨电子显微学，并应用于研究电池电极材料充放电机理和半导体忆阻器电阻变化机理。已在Science，Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Matter、Nature Communications等重要国际期刊发表了SCI论文200余篇。

木士春教授：武汉理工大学首席教授，国家级高层次人才，博士生导师，英国皇家化学会会士。长期致力于锂离子电池材料及电催化材料研究。以第一作者或通讯作者身份在Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.等国内外期刊上发表高水平论文300余篇。