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近日，中科院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員帶領的固態能源系統技術中心在高比能鋰電池正極材料富鋰錳基層狀氧化物（LLOs）的陰離子氧穩定性調控和鋰離子傳輸異質研究方面取得重要進展。相關成果分別發表在Advanced Energy Materials《先進能源材料》和Angewandte Chemie International Edition《德國應化》上。
LLOs是一種新型的鋰電池正極材料，因兼具陰（O2-）、陽離子（Ni2+、Co3+、Mn3+）的可逆氧化還原反應，具有遠高于高電壓鈷酸鋰、高鎳三元正極材料的放電比容量（≥ 280 mAh g-1）, 在開發高能量密度鋰電池尤其是全固態鋰金屬電池（能量密度預期超過550 Wh kg-1）時極具應用潛力。目前LLOs由于陰離子氧的氧化還原反應會導致非穩態O2p空穴和O2的產生，嚴重降低電池穩定性、循環壽命和安全性能，成為制約高比能、高安全固態電池技術發展的瓶頸問題，此外，LLOs材料在全固態電池中性能快速衰減的微觀機制尚未探明。因此，發展創新材料制備技術解決其瓶頸問題，探索先進表征技術闡明富鋰錳基全固態電池性能衰減微觀機制的關鍵科學問題，是促進LLOs材料發展的重要前提。
為解決上述問題，固態能源系統技術中心提出一種非恒溫燒結的新型材料制備技術，實現了LLOs體相晶格氧的穩定化并減少了非穩態O2p空穴的產生。采用該技術制備的正極材料其放電比容量、循環穩定性等電化學性能與傳統恒溫燒結技術相比，得到顯著提升，此外非恒溫燒結技術的可行性在無鈷富鋰錳基正極材料體系（Li1.2Mn0.6Ni0.2O2）也得到了驗證（Advanced Energy Materials2022, 2202341），這為實現LLOs材料晶體結構、電化學性能的穩定化提供了重要指導。
同時，該團隊基于原位差分相位襯度成像的掃描透射電子顯微鏡技術（DPC-STEM），首次研究了LLOs在硫化物固態電池中的電化學反應機制，觀測到LLOs材料中納米尺度的兩相分離（NCM111相和Li2MnO3相）是導致Li+在正極材料體相、界面處存在傳輸異質的決定因素，并嚴重限制了富鋰相Li2MnO3的容量發揮（Angewandte Chemie International Edition2022, e202209626）。該項工作研究了微觀晶體結構與鋰離子傳輸動力學、正極材料電化學性能之間的構效關系，揭示了全固態電池中LLOs正極材料性能衰減的微觀機制，為精準優化LLOs材料的晶體結構、改善正極/電解質的界面鋰離子傳輸動力學提供了指導。上述工作為開發高能量密度與高安全性的富鋰錳基硫化物全固態電池奠定了研究基礎。
基于非恒溫燒結技術，調控LLOs晶格氧穩定性的工作中，論文第一作者為博士研究生張育涵，通訊作者為崔光磊研究員、馬君副研究員、德國馬普學會固體化學物理所胡志偉教授和武漢工程大學/太原理工大學張鼎教授。基于原位DPC-STEM技術，揭示LLOs在硫化物全固態電池中性能衰減微觀機制的工作中，論文共同第一作者是天津理工大學碩士生劉博文、青島能源所博士后胡乃方、天津理工大學李超副教授，通訊作者是崔光磊研究員、馬君副研究員和李超副教授。上述工作得到國家自然科學基金、中國科學院戰略先導項目、中科院青年創新促進會和山東能源研究院等項目的支持。
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