温州大学Nat. Commun：非均质反应耦合金属重排诱发富锂材料的电化学衰减

Liguang Wang, Tongchao Liu, Alvin Dai, Vincent De Andrade, Yang Ren, Wenqian Xu, Sungsik Lee, Qinghua Zhang, Lin Gu, Shun Wang, Tianpin Wu*, Huile Jin*, and Jun Lu*. 

Reaction inhomogeneity coupling with metal rearrangement triggers electrochemical degradation in lithium-rich layered cathode. 

Nat. Commun. 2021, 12, 5370.

DOI:10.1038/s41467-021-25686-1

研究背景

开发高比能量密度、高安全性的正极材料是开发动力电池关键之一。富锂锰基正极材料因为其较高的比能量密度（900 Wh/kg）得到了人们的广泛关注。但是，严重的电化学性能的衰减，尤其是电压及容量衰减，限制了其进一步商业化应用。研究者通过研究其在循环过程中的不可逆结构演变等方面揭露了热力学不稳定性。然而，与电化学性能紧密相关的动力学特性变化带来的衰减现象却鲜有报道。

研究内容

该研究团队通过结合先进的同步辐射成像及谱学技术，发现富锂材料在二次颗粒尺度上的不均匀的反应活性的存在极大地限制了其动力学过程，从而带来了电压滞后及容量衰减。该团队深入研究了电化学性能下降的原因，重点是富锂层状氧化物中的容量损失，以及反应途径和动力学。利用先进的基于同步加速器的X射线二维和三维成像技术与光谱和散射技术相结合，在空间上显示富锂和富锰层状氧化物在多个长度尺度上的反应性。这些方法为不均匀锰反应性和离子镍重排提供了直接证据。失活锰与镍迁移的耦合提供了缓慢的反应动力学，并导致材料中严重的结构不稳定性。该发现为电化学降解提供了新的见解和进一步的理解，这有助于改进阴极材料的设计。

解决办法

根据研究结果，作者指出通过表面修饰结合掺杂可以极大地解决富锂中的电化学降解。尽管如此，表面修饰或掺杂本身并不能完全抑制电容损耗和电压衰减问题。例如，在仅涂覆MnO₂或LiFePO₄的富锂材料中仍观察到电化学降解。然而，由于形成了稳定、均匀、具有电化学活性的表面，在表面附近进行部分掺杂的表面改性可大大提高电压性能和循环稳定性。该团队正在开发一种新的表面结构双粒子掺杂方法来解决LMR材料中的这些电化学降解问题。然而，本研究为富锂材料在多个长度尺度上的电池材料降解机制提供了有价值的见解，这对于基础研究和实际应用的实现至关重要。

这一成果近期发表在Nature Communications上，文章第一作者是王利光博士，通讯作者为温州大学金辉乐教授、阿贡国家实验室陆俊教授和吴天品教授。

金辉乐

博士，研究员，博士生导师，浙江省“万人计划”青年拔尖人才， “温州市高层次人才特殊支持计划”青年拔尖人才，温州大学化学与材料工程学院副院长,浙江省皮革工程重点实验室主任，温州市先进能源存储与转化重点实验室主任，中国高起点新刊期刊《Carbon Energy》执行编辑，国际高水平期刊《Frontiers in Chemistry》和《Battery Energy》编委。长期致力于碳材料的设计合成及在新能源与高分子方面的应用研究。近五年，先后主持3项国家自然科学基金项目、1项浙江省自然科学基金项目及10余项企业产业化研发项目，相关研究发表SCI学术论文100多篇，6篇入选ESI高引论文，其中以第一/通讯作者发表IF > 20 的论文4篇，IF > 10 的论文13篇，包括Adv. Mater. (1篇)、J. Am. Chem. Soc. (1篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4篇)、Adv. Energy Mater. (3篇)，Adv. Funct. Mater.（1篇）、Nano Energy（1篇）、Small（1篇）、ACS Nano（1篇）。多次组织和担任国际学术会议副主席，并应邀在国际和国内会议、高校等邀请报告10余次。获授权中国发明专利67项，获授权美国专利1项，参编教材3部。兼职担任全国塑料制品标准化技术委员会聚氨酯制品标准化工作组委员，全国材料与器件科学家智库复合材料专家委员会常务委员，国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目、安徽省自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究项目评审专家。

相关论文信息

论文原文在线发表于Nat. Commun，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Reaction inhomogeneity coupling with metal rearrangement triggers electrochemical degradation in lithium-rich layered cathode

论文网址：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25686-1

DOI:10.1038/s41467-021-25686-1

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