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锂过量的正极材料中可逆的Mn2+/ Mn4+双氧化还原

导读: 在目前的锂离子电池中,由于金属的低成本和储量高,基于锰的高容量正极材料将会特别有发展潜力,并且能替代资源稀缺且与安全问题突出的镍和钴,同时Mn4+氧化态的稳定性好,因此引起研究者广泛关注。

【引言】

发展低成本,资源友好型,高能量密度的正极材料越来越迫在眉睫,以此满足对电能储存的快速增长的需求。在目前的锂离子电池中,由于金属的低成本和储量高,基于锰的高容量正极材料将会特别有发展潜力,并且能替代资源稀缺且与安全问题突出的镍和钴,同时Mn4+氧化态的稳定性好,因此引起研究者广泛关注。开发基于其他氧化还原金属的高容量正极材料可以通过交换两个电子的过渡金属,从而达到高容量的要求,如类似于NMC阴极中的Ni2+/Ni4+对。低成本和低毒性使Mn2+/Mn4+偶合对于要达到环境友好型的高性能锂离子电池而言特别理想。

【成果简介】

近日,加州大学伯克利分校 Jinhyuk Lee和Gerbrand Ceder(共同通讯作者)课题组在Nature 上发表了题为“Reversible Mn2+/Mn4+ double redox in lithium-excess cathode materials” 的文章。研究团队提供了一种结合高价阳离子和在无序 - 岩盐结构中部分氟取代氧以将可逆的Mn2+/Mn4+双氧化还原偶合入锂过量正极材料的策略。生产的富锂正极具有高容量(> 300 mAh g-1)和高能量密度(约1,000 Wh kg-1)。由于锰的容量很高,只需要少量的氧化还原即可提供超过300 mAh g-1的总容量,从而减轻氧化还原相关的问题。Mn2+/Mn4+氧化还原的使用降低了氧的氧化还原活性,从而稳定了材料状态为高级锂离子电池高性能富锰正极的设计开辟了新的机遇。

【图文导读】

图1 Li2Mn2/3Nb1/3O2F的设计和结构表征。

加州大学伯克利分校Nature:锂过量的正极材料中可逆的Mn2+/ Mn4+双氧化还原

图2 Li2Mn2/3Nb1/3O2F的电化学性能。

加州大学伯克利分校Nature:锂过量的正极材料中可逆的Mn2+/ Mn4+双氧化还原

图3 Li2Mn2/3Nb1/3O2F的反应机理。

加州大学伯克利分校Nature:锂过量的正极材料中可逆的Mn2+/ Mn4+双氧化还原

图4 Li2Mn2/3Nb1/3O2F氧化还原机理的相关计算。

加州大学伯克利分校Nature:锂过量的正极材料中可逆的Mn2+/ Mn4+双氧化还原

图5 Li2Mn1/2Ti1/2O2F的结构表征和电化学性能。

加州大学伯克利分校Nature:锂过量的正极材料中可逆的Mn2+/ Mn4+双氧化还原

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