北大深研院潘锋、林聪Chem：离散Li@Mn6助力高性能富锰正极的层结构稳定

Delocalized Li@Mn₆ superstructure units enable layer stability of high-performance Mn-rich cathode materials

第一作者：黄伟源

通讯作者：林聪，潘锋

通讯单位：北京大学深圳研究生院

要点一：材料结构和电化学表征

该工作报道了一种新型的富锰层状正极材料LMRO，其过渡金属层内具有离散分布的Li@Mn₆超结构基元，这通过X-射线衍射 (XRD) 的超晶格峰和球差透射电镜的直接观察进行了验证 (图2)。电化学性能测试表明，LMRO在0.1C和0.2C (1C = 250 mA g^-1) 倍率下长循环100圈后仍然保持较高的容量和能量密度 (0.1C和02C下分别为251 mA h g^-1、791 W h kg^-1和223 mA h g^-1、707 W h kg^-1)，且没有明显的电压衰减 (图3)。

要点二：高度稳定的晶格氧和层结构

要点三：结构稳定性的理论研究

通过理论计算对比分析具有离散和局域富集分布的Li@Mn₆超结构基元的两种富锰正极结构模型，作者发现在锂脱出后，离散的Li@Mn₆超结构基元能够诱导更高的过渡金属迁移能垒和氧空位的形成能，验证了LMRO中Li@Mn₆超结构基元的离散分布可以显著抑制过渡金属迁移和氧空位的形成，这进一步阐明了LMRO的构效关系 (图6)。

在该工作中，针对目前报道的富锰正极材料在循环过程中的晶格氧流失以及层结构不稳定等问题，作者提出了一种新的结构改良策略，即通过调制过渡金属层内的Li@Mn₆超结构基元的离散分布，可以有效抑制循环过程中的晶格氧流失、不可逆结构相变、Mn元素迁移和溶出等问题，从而实现层结构及电化学的长循环稳定性。这项工作对于设计和发展下一代具有高能量密度和阴离子可逆变价的锂离子电池正极材料具有重要的参考价值。

Delocalized Li@Mn₆ superstructure units enable layer stability of high-performance Mn-rich cathode materials

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.04.012

潘锋  教授  

北京大学讲席教授，博士生导师，北京大学深圳研究生院副院长和新材料学院创院院长。潘锋教授于1985年本科毕业于北京大学化学系，1988年在中科院福建物构所获得硕士学位，1994年在英国Strathclyde大学获得博士学位及最佳博士论文奖，同年在瑞士ETH从事博士后研究。潘锋教授长期致力于结构化学和材料基因的探索、电池和催化材料的结构与性能及应用研究，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotech、Science Advance、Joule、Chem、JACS、Angew、AEM、AM等国际知名期刊发表SCI论文380余篇。潘锋教授于2020年起任《结构化学》杂志执行主编，曾获2021年“中国电化学贡献奖”、2018年美国电化学学会“电池科技奖”、2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖等。

黄伟源，现为北京大学深圳研究生院新材料学院博士生，主要研究方向为锂电池正极材料，2017年本科毕业于华南师范大学。目前以第一作者身份在Chem、AEM、Nano Energy等高水平学术期刊上发表多篇论文。