尖晶石复合结构构建对锰基锂电池性能的提升分析

作者信息

第一作者: 刘世奇

通讯作者: 尉海军

通讯单位: 北京工业大学

摘 要

层状锰基氧化物由于其突出的能量密度和成本效益，是下一代高能量密度可充电电池阴极的有前途的候选者。然而，明显的结构退化，如层状到尖晶石的转变，以及电化学循环稳定性的恶化，阻碍了它们在电池中的广泛应用。在此，基于LiMn0.8Ni0.2O2的Mn基氧化物设计了一种复合结构，该复合结构具有预引入母体层状结构中的高压尖晶石晶畴，在电化学过程中显示出良好的结构稳定性。

结果表明，Li2MnO3晶域经历了缓慢的Li+离子动力学和从层状尖晶石到亚稳尖晶石的结构转变，而预先引入的高压尖晶石晶域表现出几乎保持的结构，并且在电化学活化后可以获得接近理论容量的LiMn0.8Ni0.2O2阴极的最佳性能。这种设计有助于在母体结构降解之前稳定整个结构，并且还可以看出层状Li2MnO3和预先引入的高压尖晶石晶畴的电化学贡献。本研究通过预先引入稳定的晶畴，为设计高性能复合结构锰基阴极材料提供了新的指导。

研究要点

• 一种复合结构的Mn基氧化物阴极LiMn0.8Ni0.2O2，包括层状Li2MnO3和预先引入的高压尖晶石晶畴（PHS-LMNO），使用简单的共沉淀、固态反应和高温煅烧方法制备，已被选为模型材料，以探索层状和不同尖晶石结构之间潜在的晶域反应机制。
• 借助X射线衍射（XRD）、原子级高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）以及一系列原位/非原位XRD和光谱技术，揭示了复合材料结构在循环过程中的结构演变，显示了Li2MnO3的缓慢活化过程和随后的亚稳态层到尖晶石的降解以及预引入的高压尖晶石从原始状态的良好结构稳定性。
• 引入和调节“完美”尖晶石的分布对于设计高性能锰基氧化物阴极材料是有希望的。

图文速览

图1. PHS-LMNO的晶体结构表征。

图2. PHS-LMNO的电化学性能。

图3. PHS-LMNO在循环过程中的结构和相的演变。

图4. PHS-LMNO的OAR机制。

图5. PHS-LMNO的过渡金属电荷补偿机制。

图6. PHS-LMNO的DFT计算。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202300217