高比能锂电池富锂锰基正极材料研究取得系列进展

近日，记者从中国科学院青岛生物能源与过程研究所获悉，该研究所崔光磊研究员团队在高比能锂电池正极材料富锂锰基层状氧化物（LLOs）的阴离子氧稳定性调控和锂离子传输异质研究方面取得重要进展。相关成果分别发表在《先进能源材料》和《德国应化》上。

据介绍，LLOs是一种新型的锂电池正极材料，因兼具阴、阳离子的可逆氧化还原反应，具有远高于高电压钴酸锂、高镍三元正极材料的放电比容量,在开发高能量密度锂电池尤其是全固态锂金属电池时极具应用潜力。

目前LLOs由于阴离子氧的氧化还原反应会导致非稳态O₂p空穴和O₂的产生，严重降低电池稳定性、循环寿命和安全性能，成为制约高比能、高安全固态电池技术发展的瓶颈问题，此外，LLOs材料在全固态电池中性能快速衰减的微观机制尚未探明。因此，发展创新材料制备技术解决其瓶颈问题，探索先进表征技术阐明富锂锰基全固态电池性能衰减微观机制的关键科学问题，是促进LLOs材料发展的重要前提。

为解决上述问题，该研究所固态能源系统技术中心提出一种非恒温烧结的新型材料制备技术，实现了LLOs体相晶格氧的稳定化并减少了非稳态O₂p空穴的产生。采用该技术制备的正极材料其放电比容量、循环稳定性等电化学性能与传统恒温烧结技术相比，得到显著提升，此外非恒温烧结技术的可行性在无钴富锂锰基正极材料体系也得到了验证，这为实现LLOs材料晶体结构、电化学性能的稳定化提供了重要指导。

同时，该团队基于原位差分相位衬度成像的扫描透射电子显微镜技术（DPC-STEM），首次研究了LLOs在硫化物固态电池中的电化学反应机制，观测到LLOs材料中纳米尺度的两相分离是导致Li⁺在正极材料体相、界面处存在传输异质的决定因素，并严重限制了富锂相Li₂MnO₃的容量发挥。

该项工作研究了微观晶体结构与锂离子传输动力学、正极材料电化学性能之间的构效关系，揭示了全固态电池中LLOs正极材料性能衰减的微观机制，为精准优化LLOs材料的晶体结构、改善正极/电解质的界面锂离子传输动力学提供了指导。上述工作为开发高能量密度与高安全性的富锂锰基硫化物全固态电池奠定了研究基础。

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