一、陆俊【导读】

利用阳离子和阴离子氧化还原的潘锋e破富锂锰基（LMR）正极材料可以显著提高电池能量密度。但是解锂，富锂锰基材料的电池电压衰减问题严重影响了其工业化应用。尽管对于电压衰减已经建立了几种普遍的衰减理论，包括过渡金属（TM）迁移、难题牛TM价态降低和不可逆相变，材料但衰减最终被归结为晶格氧的陆俊热力学不稳定和氧气释放。前期许多研究工作也探究不同的潘锋e破解决方案来预先提高晶格氧的稳定性，然而，解锂这些策略的电池作用非常有限，导致这个问题至今仍未得到解决。衰减而关于电压衰减的难题牛驱动力仍是未解之谜。

二、材料【成果掠影】

近日，陆俊美国阿贡国家实验室陆俊研究员、Khalil Amine教授以及北京大学潘锋教授等人联合，利用原位纳米级灵敏的相干X射线衍射成像技术揭示了微观晶格应变在电池运行过程中不断累积。有证据表明，这种效应是结构退化和氧释放的驱动力，它们引发了众所周知的LMR正极中的快速电压衰减。通过对原子结构、初级粒子、多粒子和电极层面进行微观到宏观的表征，研究人员证明了LMR正极的不均匀性不可避免地导致有害的晶格应变，这是传统掺杂或包覆方法无法消除的。因此研究人员提出将细观结构设计作为一种策略，以缓解晶格位移和不均匀电化学/结构演变，从而实现稳定的电压和容量曲线。这些发现突出了晶格应变在引起电压衰减方面的重要性，并将激发LMR正极材料大规模商业化的潜力。该论文以题为“Origin of structural degradation in Li-rich layered oxide cathode”发表在知名期刊Nature上。刘同超、刘嘉杰、Luxi Li为共同一作。Nature同期刊发了由刘同超和陆俊撰写的Research Briefing，题为“Lattice strain blights lithium-ion batteries”。

三、【数据概览】

图一、LMR正极的电化学剖面和初始结构

图二、LMR初级粒子的应变演化及与氧释放的关系

图三、用多尺度X射线衍射技术研究LMR正极的结构变化

图四、原子级TEM、三维电子衍射和EELS化学态分析的可视化

图五、应变产生和O释放以及过渡金属迁移的相关性示意图

四、【成果启示】

综上所述，研究人员发现具有不同电化学活性的异质复合结构是LMR正极产生晶格应变的根本原因。这解释了为什么后处理，如表面工程方法，对电压衰减的改善收效甚微。为了消除晶格应变，实际的解决方案必须从LMR正极的异质结构及其电化学行为的不均匀性入手，这需要从根本上考虑成分设计或局部结构调节。改变O3型LMR正极中的纳米畴区结构一直是一个挑战，因此研究人员试图在O2型LMR正极中消除纳米畴区，实现均匀的原子排布。由此得到的O2型LMR正极中良好集成的电化学活性消除了应变产生的先决条件，抑制了氧释放，并在稳定电压下实现了增强的电化学性能。这证明解决晶格应变对于解决长期存在的电压衰减问题至关重要。

基于电化学反应性的其他现实策略也同样有希望。理想情况下，如果两个氧化还原反应可以完全耦合，以在宽电压范围内实现正极中的阳离子/阴离子混合氧化还原。这不仅可以消除两个纳米畴区之间的不均匀反应性，而且可以获得更高的能量密度，这有可能推进阴离子氧化还原或阳离子/阴离子杂化正极材料的实际应用。

文献链接：Origin of structural degradation in Li-rich layered oxide cathode (Nature 2022, XXX, XX-XX)

本文由大兵哥供稿。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu