作為鋰離子電池最有前景的正極材料之一，富鋰層狀氧化物存在庫侖效率低、容量衰減嚴(yán)重和電壓衰減等問題，這與聚合的Li@Mn₆超結(jié)構(gòu)單元有關(guān)。因此，Li@ Mn₆超結(jié)構(gòu)單元的改性已成為提高富鋰正極電化學(xué)性能的有效方法。

在此，北京大學(xué)新材料學(xué)院潘鋒教授、張明建副研究員以及南方科技大學(xué)謝琳副教授、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所任國璽等人通過Al取代Co成功設(shè)計(jì)了一種無鈷富鋰層狀氧化物—Li[Li_1/4Mn_1/2Ni_1/6Al_1/12]O₂。

將平均結(jié)構(gòu)優(yōu)化與詳細(xì)的局部結(jié)構(gòu)/化學(xué)分析相結(jié)合，作者發(fā)現(xiàn)引入的Al離子占據(jù)了Li@Mn₆超結(jié)構(gòu)單元中的Mn位點(diǎn)，這進(jìn)一步誘導(dǎo)了Li@Mn₆單元的中心鋰離子被Ni²⁺部分取代。

圖1. 通過Al取代提高電化學(xué)性能

因此，改性的超結(jié)構(gòu)單元穩(wěn)定了陰離子骨架并抑制長期循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)降解，改性后的正極實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能（在0.1C下100次循環(huán)后容量保持率為 91.8%，1 C下500次循環(huán)后容量保持率為91.4%）。

這項(xiàng)工作不僅加深了對Al取代機(jī)制的理解，而且為通過改性局部功能單元來設(shè)計(jì)高性能富鋰正極提供了一條新途徑。

圖2. 改性Li@Mn₆超結(jié)構(gòu)單元提高循環(huán)穩(wěn)定性的機(jī)制示意圖

Modifying Li@Mn₆ Superstructure Units by Al Substitution to Enhance the Long-Cycle Performance of Co-Free Li-Rich Cathode, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101962