锂离子电池层状富锂正极材料的相变转化及电化学性能优化

与传统的正极材料相比,层状富锂过渡金属氧化物(Li[LixM]O2, M=Mn, Co和Ni等过渡金属)具有更高的(近两倍)储锂比容量和更宽的工作电位,可作为锂离子电池的新型正极材料。层状富锂过渡金属氧化物是当前锂离子电池电极材料研究领域中的热点。但是,高工作电位导致层状富锂正极材料从层状结构向尖晶石结构转化的持续相变,进而严重影响了其在循环储锂过程中的结构稳定性和电化学性能。尖晶石相的产生一方面降低了正极材料的工作电位和结构稳定性,另一方面却弥补了层状结构转变所引起的比容量损失,并提升了正极材料的倍率特性。由于电化学反应中所形成的尖晶石结构含量有限并与层状结构共存,对其进行物相表征及电化学性能测试困难重重。因此,研究并揭示尖晶石结构物相及其电化学性能具有十分重要的意义,研究结果将有利于有效调控层状富锂正极材料的综合电化学性能。该研究团队首次利用离子交换技术,对典型层状富锂Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2材料进行Li+-H+和H+-TBA+(Tetrabutylammonium cation)交换,通过最优化热处理除去TBA+后,形成了高密度的锂离子空位,在非原位条件下第一次成功实现了层状结构到尖晶石结构的完全转化。研究结果表明,所得尖晶石结构具有Li4Mn5O12型物相特征。同时,Li4Mn5O12型尖晶石材料能显著提高正极材料的储锂比容量,循环稳定性及高倍率性能。该研究成果对于层状富锂正极材料相变机理的研究及实现其电化学性能的最优化具有非常重要的指导作用。相关研究结果已正式在Advanced Energy Materials上发表。Untitled