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ACS Energy Lett.: 熱力學(xué)分析定量評(píng)估鋰離子電池正極中的晶格氧穩(wěn)定性

鋰離子電池（LIBs）正極的氧氣釋放是一個(gè)長期存在的嚴(yán)重問題，它會(huì)降低電化學(xué)性能并引發(fā)熱失控。然而，目前對(duì)氧氣釋放過程的機(jī)制知之甚少。

為此，日本東北大學(xué)Takashi Nakamura等人首次通過對(duì)LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂ （NCM111）、LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）和LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（NCM622）的氧釋放行為的熱力學(xué)分析，直接定量評(píng)估LIB正極的晶格氧穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)可獲得代表氧結(jié)合能的氧偏摩爾焓，并與報(bào)道的DFT計(jì)算進(jìn)行比較。

具體而言，作者結(jié)合氧庫侖滴定法和軟XAS方法研究了上述3種NCM材料的氧釋放行為和相應(yīng)的電荷補(bǔ)償。其中，當(dāng)材料的氧含量（2-δ）> 1.98時(shí)，所有NCM中的氧釋放由相同的現(xiàn)象決定，而當(dāng)2-δ < 1.98時(shí)，NCM111、NCM523 和 NCM622中的氧釋放支配現(xiàn)象不同。

圖1. DFT計(jì)算的各種LIB 正極的氧空位形成能或氧結(jié)合能

研究表明，與Co³⁺還原（~1.8-2.7 eV）相比，Ni³⁺還原釋放氧需要更小的能量（~0.5-1.5 eV），這表明過渡金屬的還原活性基本上決定了NCM的氧釋放。雖然在現(xiàn)階段用這種技術(shù)模擬真實(shí)的電池條件比較困難，但這種熱力學(xué)評(píng)估可以為電池材料的晶格氧穩(wěn)定性的定量和直接討論鋪平道路，有助于提高對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域中重要的過渡金屬氧化物材料的基本認(rèn)識(shí)。

毫無疑問，過渡金屬氧化物在下一代電池中發(fā)揮著重要作用，不僅包括先進(jìn)的鋰離子電池，還包括多價(jià)金屬離子電池和堿金屬離子電池。因此，這項(xiàng)工作展示的方法能夠從熱力學(xué)角度定量評(píng)估氧化物電池材料的晶格氧穩(wěn)定性，并可以為先進(jìn)的高能量密度/穩(wěn)定電池設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

圖2. 氧偏摩爾焓作為氧空位濃度的函數(shù)

Thermodynamic Analysis Enables Quantitative Evaluation of Lattice Oxygen Stability in Li-Ion Battery Cathodes, ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c00353

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