尖晶石-富锂:利用尖晶石结构分解合成层状富锂/尖晶石复合材料

层状富锂正极材料(xLi2MnO3·(1−x)LiMO2 (LLO))在高电压区间的高能量密度使其受到了广泛的关注。该材料若应用于锂离子电池,理论上可以极大程度提高电动汽车等大型可移动设备的续航能力,取代传统消耗性石油能源应用于移动储能设备,从而有效改善环境并缓解能源问题。然而,其倍率性能及可逆循环能力仍然比不上传统的层状结构材料(LiCoO2)及橄榄石结构材料(LiFePO4),因此目前仍无法实现广泛应用。

而尖晶石结构材料(LiM2O4)则恰恰相反,其独特的[M2]O4框架结构为Li+的脱嵌提供了良好的三维通道,能够实现更快的锂离子脱嵌;但其理论容量仅为148 mA h g-1,能量密度也远远低于层状富锂正极材料。因此层状富锂和尖晶石材料的完美复合一直以来都是学术界和产业界的热门方向之一。

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近期,华盛顿大学材料学院的曹国忠教授团队与哈尔滨工业大学的合作者:甄良教授、徐成彦教授团队合作,在该问题上提出了一种新型的研究思路:富锂型尖晶石结构材料分解合成层状富锂/尖晶石复合材料。他们在尝试通过多元醇法进行层状富锂材料的合成中,发现在过量的锂源下仍然生成了层状富锂/尖晶石复合材料,这与之前大部分报道中的结果不同。通过深入研究,他们发现所获得的复合材料组成受温度影响明显,而不同组成的复合材料所体现出的电化学行为差异较大,且当尖晶石含量约为5.8%时其倍率性能优异。对于这种现象,他们在展开了一系列分析表征后发现该材料在进行煅烧处理中存在尖晶石结构向富锂结构的相变行为;随着该相变行为的进行,反应物中的锂源逐渐嵌入材料中,促使反应推进,直至生成尖晶石含量约为5.8%的层状富锂/尖晶石复合材料。该研究首次提出了尖晶石结构材料(LiM2O4)向层状富锂材料(LLO)的相变行为,对于层状富锂/尖晶石复合材料的合成研究有重要的指导作用,相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/ adfm.201604349)上。