潘锋课题组：锂电池锰基尖晶石正极材料方面取得进展

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新材料学院2020年9月14日讯，我院潘锋教授团队在研究工作中取得重要进展。正极材料通常被认为是决定锂离子电池性能的决定性因素。理想情况下，正极应在较宽的工作温度范围内提供高比容量、高工作电压、低成本、优越的安全性和长循环寿命，以满足要求诸如混合动力汽车、嵌入式混合动力汽车和纯电动汽车等应用的要求。在已有的正极材料中，锰基尖晶石型锂锰氧化物LiMn2O4（LMO）由于其高电压（Li/Li+≈4.0V）和低成本而引起了广泛的应用。然而，循环性能差和相对较低的容量极大地限制了其作为锂电正极材料的广泛应用。究其原因，不良的循环稳定性直接与Jahn-Teller（JT）畸变引起的结构转变、Mn3+的歧化反应和Mn溶解直接相关。相对较低的LMO容量是因为放电过程中只有一个Li嵌入到Mn2O4尖晶石骨架中。理论上来说第二个锂离子嵌锂到LMO中的八面体空位中（3 V以下）形成过度嵌锂的Li2Mn2O4能够使容量增加一倍，但是这很难实现，因为它将导致Mn4+还原为Mn3+从而引起更严重的Jahn-Teller畸变，导致不可逆的相变（立方相到四方相）和循环过程中的颗粒裂纹。因此，为了获得LMO的双倍容量和优异的电化学性能，关键在于如何抑制在过度嵌锂过程中严重的Jahn-Teller畸变。

图1  协同Jahn-Teller效应的抑制机制

      近日，在北京大学深圳研究生院潘锋教授和郑家新副教授共同指导下，研究生左昌坚和博士生胡宗祥等人通过结合实验和大量从头计算，证明了LMO中Mn3+O6八面体的单个Jahn-Teller畸变之间存在协同效应，被命名为协同Jahn-Teller畸变（CJTD），这个严重的畸变在过度嵌锂时，会导致Mn八面体朝着c方向严重拉长从而导致相变和裂纹，这是在低压下难以获得优良的电化学性能的原因所在。同时该工作进一步揭示了阳离子无序（Mn位Li的替换和Li/Mn反位）可以内在地抑制Mn3+O6八面体中的CJTD。因为，阳离子无序可以破坏Mn3+排列的对称性，从而破坏单个JT中心畸变的相关性，并防止Mn3+-O 键沿一个方向扭曲。由于抑制了CJTD，尖晶石型LMO中的原始八面体空位被激活，可以用作额外的Li+存储位点，从而在微米尺寸LMO中获得双倍容量并具有良好的可逆循环稳定性。

       该工作近日以“Double the Capacity of Manganese Spinel for Lithium-Ion Storage by Suppression of Cooperative Jahn–Teller Distortion”为题，作为封面文章（front cover）发表在能源材料领域知名期刊 (Adv. Energy Mater. 2020, 2000363 ，影响因子25)上。
       该工作论文第一作者为硕士生左昌坚和博士生胡宗祥，潘锋教授和郑家新副教授为共同通讯作者。该项工作得到国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室项目、深圳市科技创新委员会项目等大力支持。
       链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202000363


       文章来源：北京大学新材料学院
       潘锋教授（博导）是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长,  美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士，1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)，1994-1996年瑞士ETH博士后。