挑戰(zhàn)傳統(tǒng)！富鋰正極倍率性能大增！

2022-12-01 來源：鋰電前沿

鋰離子電池的工作需要鋰離子在電極材料中來回穿梭。為了支持鋰離子的快速傳輸，一個完美的拓撲結(jié)構(gòu)反應(即主體材料在鋰離子含量變化時保持不變)通常被認為是至關重要的，因為它對鋰離子傳輸途徑的干擾最小。

拓撲結(jié)構(gòu)反應涉及可逆的Li插入主體結(jié)構(gòu)，只改變晶格參數(shù)和鍵長，而不涉及主體原子的擴散重排。在一些容量較大的電極材料中，除Li外，還會發(fā)生其他離子物種的遷移，導致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。多離子的遷移不僅增加了動力學的復雜性，而且影響了Li的遷移路徑，這就是為什么這種非拓撲反應通常不被關注的原因。例如，Li和其他可移動離子物種的離子遷移率的不匹配會導致電壓滯后。在轉(zhuǎn)化型電極材料(如FeF₂、CuF₂、FeOF和Fe₃O₄)中，緩慢的過渡金屬(TM)或陰離子遷移限制了氧化還原反應動力學，并誘發(fā)電壓滯后>1 V。

當TM陽離子具有一定的遷移率時，在一些插層型電極材料中也觀察到非拓撲結(jié)構(gòu)現(xiàn)象。例如，層狀LiNi_0.5Mn_0.5O₂在充電頂部(top of charge, TOC)發(fā)生了5.2到4.5 V的電壓弛豫，這是由于Ni的緩慢遷移導致的，而TM的緩慢運動限制了低電壓下Li的可插入量，從而導致了較差的速率性能。同樣，層狀LiCrO₂的電化學性能較差是由于Cr遷移導致的Li擴散受阻，盡管LiCrO₂與廣泛商業(yè)化的電池電極材料LiCoO₂具有高度的結(jié)構(gòu)相似性。

因此，大功率陰極材料的一般設計原則是追求完美的拓撲反應，以保持結(jié)構(gòu)框架和最小化動力學復雜性。LiFePO₄和尖晶石LiMn₂O₄是這種方法的成功例子。

勞倫斯伯克利國家實驗室Gerbrand Ceder課題組在Nature Energy上發(fā)表文章對以上論調(diào)提出質(zhì)疑，他們認為發(fā)現(xiàn)新的大容量陰極材料將需要一個策略來管理非工作陽離子的移動性，并給出了一個例子，當拓撲結(jié)構(gòu)反應被非拓撲結(jié)構(gòu)反應取代時，Li的輸運動力學可以得到很大的改善，這表明專注于完全拓撲結(jié)構(gòu)插層可能會導致該領域忽視陰極設計的一些機會。

研究表明，在陽離子無序巖鹽(DRX) Li_1.2Mn_0.2Ti_0.4Cr_0.2O₂ (LMTC02O)中，在TOC處，Cr八面體到四面體(oct-tet)的可逆遷移使Li的快速遷移成為可能，這為Li的遷移創(chuàng)造了新的路徑。富Li DRX材料具有面心立方(fcc)負離子骨架，Li傳輸通過富Li四面體環(huán)境(0-TM通道，其中四面體位置不與任何TM共享)的滲流網(wǎng)絡進行。因為Li滲流是由可用的四面體0-TM通道的連通性支持的，任何TM在四面體位置的占用都可能破壞這種連通性，而TM在DRX材料中的遷移可能對Li的遷移有害。令人驚訝的是，最終觀察到，陽離子無序的LMTC02O中，大部分Cr遷移到TOC的四面體位置，顯示出較無TM遷移的Li_1.2Mn_0.4Ti_0.4O₂更優(yōu)異的倍率性能。

這是為什么呢？

作者進一步證明，Cr配位環(huán)境的微妙變化重新定義了TOC處的0-TM Li滲流網(wǎng)絡，并增加了滲透Li含量，從而促進了高倍率性能。為了證明這一TM遷移概念的普遍性，作者還將Cr用Ni取代，同樣實現(xiàn)了倍率性能的顯著提高(10分鐘傳輸容量160 mAh g^?1)。

與傳統(tǒng)的TM遷移觀點相反，本文的研究結(jié)果表明，適當使用易于遷移的TM在高性能陰極材料的設計中是有前途的。