无钴富锂锰基层状正极材料的结构调控及电化学机理研究

——广东工业大学罗冬副教授

锂离子电池是目前发展较快的储能技术，正极材料是电池能量密度的决定性因素。所有正极材料中，富锂锰基层状氧化物（LRO）基于阴阳离子混合氧化还原的特性可以显著提高能量密度，是非常有前途的候选者。纵然如此，一些挑战性的难题，如不可逆的氧气释放（低首次库仑效率）、电解液分解、电压衰减等，严重阻碍了其商业化进程。

为此，广东工业大学罗冬副教授作为项目负责人，带领团队开展了无钴富锂锰基层状正极材料的结构调控及电化学机理研究。项目团队开发了表面氧电子结构调控、表面耦合 - 体相掺杂和“帽子式”超晶格设计等结构调控技术。

1 表面氧电子结构调控，显著提升 LRO 正极材料的首次库伦效率

Li-O-Li 单元中非杂化态氧的存在使得 LRO 正极材料不可逆氧释放严重，导致其首次库伦效率一般只有70% ～ 80%，远远不能满足商业化要求。为了精确可控地降低非杂化氧的量，项目团队设计并合成了表面尖晶石 - 富锂锰基集成结构，进一步调整晶格氧的电子结构，实现了 LRO 正极材料首次库伦效率从初始值到 100% 的调控。

2 开发原位构建类尖晶石 - 富锂锰基集成结构的策略，显著提高 LRO 正极材料的电压和容量稳定性

为了简化步骤并进一步提高电压和容量稳定性，项目团队致力于探索原位构建集成结构的策略，开发了“二合一”技术，原位诱导电化学惰性离子占据表层锂位，构建类尖晶石结构并对体相进行掺杂，既缓解了表界面副反应又阻止了不可逆氧释放由表面向体相的渗透，为氧离子的可逆氧化还原反应构筑双重保护线，从而显著提高 LRO 正极材料的电压和容量稳定性。

罗冬副教授

3 新型“帽子式”超晶格的构建及电压稳定性机理

为了解决电压衰减的难题，项目团队历经数年的探索，终于构筑出了一种新型的“帽子式”超晶格。

“帽子型”超晶格的锂层被过渡金属离子有序占据，电压衰减率比目前富锂锰基层状正极材料降低了至少 1 个数量级并首次有效解决了困扰该类正极材料近 30 年的电压衰减难题，完全可以满足实际应用的要求。

富锂锰基层状正极材料集低成本和高容量于一体，是下一代高能量锂离子电池的理想正极材料。利用项目的研究成果，项目团队成立了安徽富锂新能源科技有限公司，并获得了年产 100 t 高比能富锂锰基正极材料产品项目备案。在项目成果的指导下，成功完成了富锂锰基层状正极材料的中试及吨级放大生产，并开始小批量销售。

专家简介

罗冬，广东工业大学“青年百人”特聘副教授，主要从事锂离子电池正极材料研究，包括高电压钴酸锂、镍钴猛酸锂（NCM）三元系列以及富锂锰基层状氧化物等。指导研究生参加第六届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛获得广东省金奖和全国总决赛银奖。以第一作者或通信作者在Nature Energy、Angewandte Chemie international Edition等国际极具影响力期刊发表论文30篇。受邀担任Energy Materials and Devices、Rare Metals 等期刊编委或青年编委。主持国家自然科学基金青年科学基金项目和面上项目、广东省自然科学基金杰出青年项目等。