層狀氧化物正極材料(LiTMO2，TM為3d過渡金屬)是實現(xiàn)300Wh/kg以上高能量密度鋰離子電池的關(guān)鍵材料。特別是由巖鹽結(jié)構(gòu)單元Li2MnO3與六方層狀結(jié)構(gòu)單元LiTMO2形成的富鋰錳基層狀氧化物正極材料(Li1+xTM1-xO2，或者可以寫為xLi2MnO3·(1-x)LiMO2)，由于具有兩倍于第一代鋰離子電池正極材料LiCoO2的可逆儲鋰容量而倍受關(guān)注(達到300mAh/g)。但是該類材料在電化學循環(huán)過程中出現(xiàn)持續(xù)的電壓衰減(Voltagefade)，成為限制其實際應(yīng)用的主要瓶頸。由于富鋰錳基材料具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和化學組成，在電化學過程中發(fā)生復(fù)雜的電荷補償并伴隨著緩慢的結(jié)構(gòu)變化，對電壓衰減的機制一直缺乏準確的認識和確鑿的實驗證據(jù)。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點實驗室E01組副研究員禹習謙與美國布魯克海文國家實驗室博士EnyuanHu、研究員Xiao-QingYang、HuolinXin，美國阿貢國家實驗室研究員JunLu、KahlilAmine和美國國家標準與技術(shù)研究院相關(guān)研究人員合作，利用原位X射線吸收光譜和透射電鏡三維成像等先進表征手段細致研究了富鋰錳基層狀氧化物正極材料的電壓衰減機制(圖1)，闡明了晶格氧離子參與氧化還原反應(yīng)的不穩(wěn)定性與電壓衰減的本質(zhì)關(guān)聯(lián)以及不同元素對電壓衰減的影響，并提出了相應(yīng)的解決方案。該研究結(jié)果近日發(fā)表在《自然-能源》上(NatureEnergy，2018，3，690-698)，文章題為EvolutionofredoxcouplesinLi-andMn-richcathodematerialsandmitigationofvoltagefadebyreducingoxygenrelease。

研究團隊利用同步輻射X射線吸收光譜技術(shù)并結(jié)合特殊設(shè)計的模擬電池(圖2)，原位研究了鋰離子電池富鋰錳基層狀氧化物正極材料(Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2)在不同充放電周期的氧化還原反應(yīng)機制，發(fā)現(xiàn)過渡金屬陽離子Ni、Co、Mn和晶格氧陰離子同時參與了氧化還原反應(yīng)，貢獻儲鋰容量并且隨著電化學循環(huán)發(fā)生演化(圖3)。其中晶格氧離子參與反應(yīng)貢獻大量儲鋰容量但不穩(wěn)定，Mn和Co隨著電化學循環(huán)逐漸活化參與電化學反應(yīng)(被還原導致電壓衰減)并補償由于氧參與反應(yīng)不穩(wěn)定帶來的容量損失。上述研究結(jié)果清楚揭示了晶格氧參與反應(yīng)提供高容量的反應(yīng)機制與富鋰錳基材料電壓衰減之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。進一步通過透射電鏡三維成像技術(shù)證實了材料在電化學循環(huán)過程中逐漸失氧，并且發(fā)現(xiàn)電解液與電極材料反應(yīng)會加劇材料失氧并導致更嚴重的電壓衰減(圖4)。該研究表明抑制富鋰材料電壓衰減需要提高材料中晶格氧離子在高電壓充電時的穩(wěn)定性，而材料中不同元素對電壓衰減存在不同的影響。這些信息為設(shè)計具有高容量且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無電壓衰減的富鋰層狀氧化物鋰電池正極材料提供了思路和實驗依據(jù)。此外，這也是首次利用同步輻射實驗技術(shù)原位實時研究鋰離子電池材料長循環(huán)過程中價態(tài)演化及性能衰減機制的實驗工作。該方法和實驗設(shè)計對于未來研究電池及電池材料長循環(huán)壽命周期中的失效機制具有重要的參考價值。

同步輻射光源可以提供多種非破壞性原位研究電池材料電化學過程反應(yīng)機理的實驗技術(shù)，禹習謙及所在物理所清潔能源實驗室E01課題組研究團隊多年來一直致力于發(fā)展用于電池研究的原位實驗方法，取得了系列研究成果。最近受邀和國際同行一起在ChemicalReviews(2017，117，13123-13186)和AccountsofChemicalResearch(2018，51，290-298)等期刊上撰寫綜述文章介紹同步輻射應(yīng)用于電池材料研究的實驗方法。相關(guān)工作得到科技部重點研發(fā)計劃(2016YFA0202500)、基金委創(chuàng)新群體基金(51421002)、中科院百人計劃和中組部青年項目支持。

圖1Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2不同充放電周次的(a)充放電曲線和(b)循環(huán)伏安曲線。

圖2Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2中不同元素在不同充放電周次的X射線吸收光譜。

圖3Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2不同充放電周次的氧化還原反應(yīng)(a)不同元素在不同充放電周次對容量的貢獻;(b)電子結(jié)構(gòu)變化帶來的鋰離子儲存電勢的變化;(c)不同過渡金屬氧化還原電對能級差異與電壓衰減關(guān)聯(lián)。

圖4(a)和(b)電極顆粒在電化學循環(huán)前后的三維形貌圖;(c)和(d)循環(huán)前材料顆粒中內(nèi)部微孔孔徑分布統(tǒng)計;(e)和(f)循環(huán)后材料顆粒中內(nèi)部微孔孔徑分布統(tǒng)計。