Advanced Energy Materials:富锂锰基氧化物正极材料的表面改性:挑战、方法及其表征

锂离子电池能够广泛的应用于便携式电子设备、电动汽车和电网储能中,这些应用要求锂离子电池具有高能量和功率密度、长循环寿命、低成本并且环保等优点。目前限制锂离子电池电化学性能的瓶颈主要在于正极材料,富锂锰基氧化物是一种高容量、价格低廉的正极材料,其放电容量可达300mAh/g,几乎是商业化正极材料的两倍。富锂锰基材料在1997年被发现后,人们对其进行了一系列研究,但直至目前,该材料仍存在一些缺陷。因此,尽管这种富锂锰基材料具有较高的放电比容量,其在锂离子电池中的实际应用还面临着巨大挑战。富锂锰基材料的表面改性是通过在材料表面形成一层表面膜作为缓冲区域,避免活性物质与电解质溶剂直接接触,同时允许溶液和活性物质之间的锂离子迁移,减缓分子氧的释放以及过渡金属离子的溶解,是提升材料的电化学性能的关键。

同济大学汽车学院肖强凤教授联合以色列巴伊兰大学Doron Aurbach教授围绕富锂锰基材料的表面改性,针对其挑战、方法和表征做了总结和评述。该论文梳理了这种材料从首次发现到一直研究至今的一系列重要进展,直至目前,富锂锰基材料还面临着较大的首次不可逆容量、较差的倍率性能、循环过程中的电压衰减和不可逆结构转变、循环过程中出现的孔洞及裂纹、高电压下的电解液氧化分解,这些问题的存在极大的阻碍了该材料的商业化进展,表面改性是一种能够很好的解决上述问题的方法。该论文通过表面改性方法进行划分,包括液相沉积、物理混合、原子层沉积、化学气相沉积、活性气体处理、电解液添加剂等,介绍了每种方法应用范围和发展前景,并且对针对表面改性的表征方法进行了总结和展望,根据不同的测试目的(原位结构演化、自由基检测、气体释放等)选择更快捷有效的表征方法。此外,文章还对新型表面改性技术和表征手段做了展望,并提出了更高效提升电池性能的研究思路。

该综述论文有助于读者了解富锂锰基材料面临的挑战和亟待解决的关键问题,并且该论文中对表面改性方法和表征手段的总结以及对未来富锂锰基材料的研究展望能够给读者提供重要借鉴。相关论文“Surface Modification of Li-rich Mn-based Layered Oxide Cathodes: Challenges, Materials, Methods and Characterization” 为题在线发表在Advanced Energy Materials (DOI:10.1002/aenm.202002506)上。