中科院过程所谭强强研究员课题组《ACS AMI》:表面包覆及体相掺杂实现高性能富锂锰基正极材料

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富锂锰基正极材料（xLi₂MnO₃·(1−x)LiMO₂）具有较高的理论比容量（≥250 mAh g^-1）和工作电压（＞4.5 V），是发展下一代锂离子电池的首选正极材料。然而在电化学循环过程中，富锂正极材料由于氧释放、相转变和电解液腐蚀导致容量和电压衰减严重，严重阻碍了其商业化应用。因此，缓解材料内部氧释放、相转变和电解液腐蚀等问题，对于改善富锂锰基正极材料的电化学性能具有重要意义。

近日，中科院过程所谭强强研究员课题组在《Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Surface LiMn_1.4Ni_0.5Mo_0.1O₄ Coating and Bulk Mo Doping of Li-Rich Mn-Based Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂ Cathode with Enhanced Electrochemical Performance for Lithium Ion Batteries”的文章（DOI: 10.1021/acsami.1c14682）。作者同时对富锂锰基正极材料进行Mo掺杂和LiMn_1.4Ni_0.5Mo_0.1O₄包覆。Mo掺杂可以提高过渡金属和氧之间的键强，稳定晶格氧演变与结构扭曲，大的离子半径能够扩大富锂锰基正极材料的晶格参数，提高倍率性能；同时尖晶石结构的包覆材料LiMn_1.4Ni_0.5Mo_0.1O₄具有高压稳定充放电性能，能够与富锂锰基正极材料良好匹配，减缓富锂锰基正极材料的界面副反应。改性后的富锂锰基正极材料具有优异的循环稳定性，0.1C倍率下首次库伦效率从68.9%提高到84.2%，200圈后的可逆容量保持在182 mAh g^-1。

图1. 复合正极材料合成示意图。图2. (a, b) 样品的Rietveld精修；(c) 改性前和(d) 改性后样品的SEM图像；(e, f) 改性前和(g, h) 改性后样品的TEM图像；(i-m) 改性后样品的EDS图像；(n) 样品的XPS；(o, p) 高分辨率Mn 2p和Mo 3d XPS光谱；(q) 样品的拉曼光谱。

 图3.电化学性能：(a) 0.1C电流密度下的初始充放电曲线；(b) 0.1C电流密度下的循环性能；(c) 改性前样品和(d) 改性后样品在0.1C电流密度下的充放电曲线；(e) 电压衰减；(f) 倍率性能；(g) 1C倍率下的长循环性能。

 图4. (a) 改性前后样品100次循环后的O 1s XPS谱；(b) 改性前后样品电极100次循环后的Mn 2p XPS谱图；(c) 基于XPS结果的Mn³⁺/Mn⁴⁺比值。图5. (a) 改性前和(b) 改性后电极表面在电化学循环过程中演变示意图。

文章第一作者为中国科学院大学的博士研究生纪雪倩，通讯作者为中科院过程所的夏青副研究员和谭强强研究员。该研究第一完成单位为中国科学院过程工程研究所。

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c14682

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