武俊伟教授、陈丽娜博士， Journal of Power Sources：一种通用策略实现富锂锰基正极材料的高倍率和超长寿命

第一作者：付文博

通讯作者：陈丽娜*，武俊伟*

单位：哈尔滨工业大学（深圳）

随着对高性能锂离子电池需求的不断增长，富锂锰基正极材料（LRMs）因其高放电比容量和宽工作电压范围而备受关注。然而，这些材料在实际应用中存在初始库仑效率低、循环稳定性差和倍率性能不足等问题。这些问题主要源于材料在充放电过程中表面晶格氧的释放导致的结构变化，以及锂离子在材料中的扩散动力学缓慢。本篇展示了一种柠檬酸酸化的方法，通过在基体表面原位形成富锂尖晶石层，抑制晶格氧的释放，本篇探究了富锂尖晶石的生成过程，并对柠檬酸酸化后的材料倍率性能增加的原因进行了讨论。

哈尔滨工业大学（深圳）的研究人员在国际知名期刊《Journal of Power Sources》上发表了题为"A universal strategy towards high-rate and ultralong-life of Li-rich Mnbased cathode materials"的研究论文。该研究通过一种简单的柠檬酸处理（CA-treatment）方法，在富锂锰基正极材料表面原位形成了一层富锂尖晶石层，有效抑制了氧的释放，提供了三维锂离子扩散通道，并增加了锂嵌入位点，显著提高了材料的倍率性能和高倍率循环稳定性。

柠檬酸处理法（CA-treatment）为富锂锰基正极材料（LRMs）带来了突破性的表面改性。该方法通过在材料表面原位形成一层Li₄Mn₅O₁₂尖晶石结构的涂层，成功解决了LRMs在高电压下易发生氧化和结构不稳定的问题。尖晶石涂层不仅提供了三维锂离子扩散通道，还显著提升了材料的电化学活性和结构稳定性。通过精确控制柠檬酸的用量，研究人员能够调控涂层的厚度和组成，进而优化材料的电化学性能，包括提高初始库仑效率和循环稳定性。涂层的均匀性和与基体的紧密结合，为提高电池性能提供了坚实的物理基础，并通过实验验证了其在高倍率条件下的卓越性能。

经过柠檬酸处理的LRMs在电化学性能上取得了显著提升。在2.0 C和5.0 C的高倍率下，材料分别展现出193.7 mAh g⁻¹和154.8 mAh g⁻¹的高比容量，显示出优异的倍率性能。特别是在10.0 C的高倍率充放电条件下，1000个循环后容量保持率高达77.4%，这一性能的显著提升归功于表面尖晶石涂层的保护作用和富锂尖晶石提供的可供锂离子快速嵌入脱出的额外位点。此外，柠檬酸处理还提高了材料的热稳定性，使其在高温环境下也能保持良好的电化学性能，这对于电动汽车和大规模储能系统等高温应用场景具有重要意义。

柠檬酸处理对LRMs的微观结构和形貌进行了有效的调控。富锂尖晶石涂层与基体材料的紧密结合，减少了充放电过程中的体积变化应力，维持了材料的结构完整性。表面粗糙化增加了活性位点，为锂离子的快速扩散提供了更多机会，进一步增强了材料的电化学性能。通过TEM和SEM等表征手段，研究人员观察到柠檬酸处理后的LRMs表面形成了一层均匀的尖晶石涂层，该涂层与基体材料紧密结合，没有明显的界面缺陷。这种微观结构的优化，不仅提升了材料的电化学性能，也为提高电池的整体性能奠定了基础。

该论文不仅展示了柠檬酸处理法在提升LRMs性能方面的有效性，也为未来的研究指明了方向。进一步优化柠檬酸处理工艺，探索不同类型柠檬酸衍生涂层的电化学性能，以及研究涂层与不同电解液体系的相容性，将是未来工作的重点。深入理解尖晶石涂层在高电压和高温条件下的稳定性机制，以及开发新型涂层材料以进一步提升LRMs的综合性能，对于推动高能量密度、高安全性锂离子电池的发展具有重要意义。此外，该研究的发现有望加速高性能锂离子电池在电动汽车和大规模储能系统等领域的商业化应用。未来的研究还应关注如何将柠檬酸处理法与其他表面改性技术相结合，以及如何通过材料设计和制备工艺的创新，进一步提高LRMs的性能和降低成本，以满足日益增长的能源存储需求。