【顶刊综述】周光文教授、诺奖得主M. Stanly Whittingham教授、张汉雷博士：锂离子电池层状氧化物电极中的脱氧现象- 大数跨境

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【顶刊综述】周光文教授、诺奖得主M. Stanly Whittingham教授、张汉雷博士：锂离子电池层状氧化物电极中的脱氧现象

科学材料站

2022-01-18

导读：该文章总结了锂离子电池层状氧化物电极的氧元素流失引起的结构退化现象，结构退化对电化学性能的影响，相应的防护手段，已经氧流失现象的先进分析测试技术。

文章信息

锂离子电池层状氧化物电极中的脱氧现象：机制，影响和改善手段

第一作者：张汉雷

通讯作者：周光文*

单位：美国纽约州立大学宾汉姆顿分校

研究背景

以化学方程式LiMO2描述（M = Co, Ni, Mn等过渡金属元素）的锂离子电池层状氧化物电极材料被广泛应用于可移动电子设备，电动汽车，能源储备等领域。对于该材料，氧元素的流失是一种主要的结构退化原因，并会进一步导致电化学性能的退化。

本文调研回顾了近年来层状氧化物中关于氧元素流失的研究，及其和结构退化的关系。本文首先讨论了引起氧流失的驱动力因素，并总结了由氧流失而引起的结构退化现象。我们进一步分析了引起氧流失的动力学路径，及其对材料电化学性能的影响。最后，我们总结了缓解氧元素流失及相关电化学退化的工程手段，并展示了研究氧元素流失的先进分析测试技术。

文章简介

本文中，来自纽约州立大学宾汉姆顿分校的周光文教授和诺贝尔化学奖得主M. Stanly Whittingham教授合作，在国际知名期刊Chemical Reviews上发表了题为“Oxygen Loss in Layered Oxide Cathodes for Li-Ion Batteries: Mechanisms, Effects, and Mitigation”的综述文章。

该文章总结了锂离子电池层状氧化物电极的氧元素流失引起的结构退化现象，结构退化对电化学性能的影响，相应的防护手段，已经氧流失现象的先进分析测试技术。

图1. 层状氧化物材料中氧元素流失的驱动力，动力学路径，结构退化现象，以其及对材料电化学性能的影响。

本文要点

要点一：氧元素流失的驱动力

在锂电池的运行过程中，有多种驱动力可以引起层状氧化物中的氧元素流失，包括：1）材料的电化学脱锂；2）与电解液间的副反应；3）层状氧化物的本征不稳定性；4）加热引起的电极材料分解。

要点二：氧元素流失引起的结构退化现象

氧元素的流失会破坏层状氧化物的基础结构，从而引起多种结构退化现象。这些结构退化现象包括：1）由层状结构向岩盐结构的相变；2）氧空位；3）机械开裂；4）表面结构粗糙化。本文讨论了上述结构的特点及形成机制，并进一步研究了氧元素流失驱动力对上述退化结构的影响。

要点三：氧元素流失的动力学及路径

氧元素的流失过程收到多种动力学因素及流失路径的影响，从而导致了多种多样的退化结构。本文着重讨论的以下几种氧元素流失的动力学特点：1）氧元素从层状氧化物颗粒表面及芯部的流失动力学；2）不同层状氧化物中的氧元素流失动力学；3）其他影响氧元素流失动力学的因素。

要点四：氧元素流失对层状氧化物电化学性能的影响

通过造成结构退化，氧元素的流失最终会对材料的电化学性能造成巨大的影响。本文着重讨论了氧元素流失对电池容量和输出电压的影响，并着重讨论了上述电化学性能衰退的结构原因。

要点五：缓解氧元素流失的手段

为了保证层状氧化物的电化学性能稳定性，多种工程手段被研发并应用以缓解氧元素的流失现象。这些手段包括：层状氧化物的表面包覆，条件材料的化学稳定性，提高电解液中的锂元素含量。本文详细讨论了上述方法的定义和优势，并从热力学、动力学角度对上述方法进行了评估。

要点六：计算机模拟在研究氧元素流失中的应用

由于氧元素流失的过程复杂性以及实验观察上的困难，计算机模拟手段可以很好地重现、阐述氧元素流失的机制，从而加深我们对该过程的理解。本文举例阐述了模拟计算在研究氧元素流失动力学中的应用。

要点七：总结和展望

氧元素的流失是引发层状氧化物电极材料组织退化和电化学性能退化的主要原因，故这一机制的研究获得了广泛的关注和重视。本文阐述了引起氧元素流失的驱动力，流失的动力学，氧元素流失引起的结构退现象，以及缓解氧元素流失的手段。

由于研究氧元素流失现象的实验困难性，作者认为未来的研究方向应包括以下两点：1）使用包括原位电镜、冷冻电镜、原位同步辐射光源在内的先进分析测试手段，对氧元素流失的动力学过程进行进一步深入表征；2）使用计算机模拟的方法，重现氧元素流失的动力学过程。

文章链接

Oxygen Loss in Layered Oxide Cathodes for Li-Ion Batteries: Mechanisms, Effects, and Mitigation

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00327

通讯作者简介

周光文教授

1993年本科毕业于湘潭大学物理专业。在北京工业大学获得凝聚态物理硕士学位后，博士师从匹兹堡大学机械工程与材料科学系Judith Yang教授，随后在美国阿贡国家实验室从事博士后研究工作。2007年加入纽约州立大学宾汉姆顿分校，现为纽约州立大学宾汉姆顿分校机械工程系教授。美国国家自然基金委员会终身成就奖得主，纽约州立大学校长优秀研究人员奖得主。研究兴趣包括：1）材料的原子级别表界面现象；2）储能材料、能源材料和催化材料；3）极端条件下的材料稳定性；4）原位电镜对材料动力学特性的表征。以通讯作者身份在Nat. Mat., Nat. Comm., Acta. Mat., Chem. Mat., ACS Energy Lett. 等学术刊物上发表多篇研究论文。

第一作者简介

张汉雷博士

分别于2012、2015获得西北工业大学材料学院本科、硕士学位。博士师从纽约州立大学机械工程系周光文教授，随后在美国太平洋西北国家实验室从事博士后研究工作。2019年任中国地质大学（武汉）研究员，现为匹兹堡大学机械工程与材料科学系研究员。专注于利用原位/环境透射电子显微镜技术对能源、纳米、金属等材料进行结构和性能的研究。以第一作者/通讯作者身份在Chem. Rev., Chem. Mat., ACS Energy Lett., Acta Mat., Small, Mat. Sci. Eng. A, Intermetallics. 等学术刊物上发表多篇研究论文。