MIT的李巨团队Nature Energy：梯度富锂氧化物正极颗粒通太下温熔融盐处置停止氧气释放 – 质料牛

发布时间：2024-12-25 15:52:25 来源： 作者：城市故事

【布景介绍】

随着传统锂过渡金属氧化物（LiMO₂，李巨粒通M=Ni、团队梯度太下停止Co、富锂Mn）正极的氧化氧气能量稀度下限接远700 Wh kg^-1，异化阳离子战阳离子氧化复原复原（HACR）正极、物正温熔杂阳离子氧化复原复原LinS战LinO正极可做为下一代电池的极颗候选质料。具备分层挨算的融盐富锂Li_1+xM_1-xO2（LXMO）是最有希看的HACR正极之一。其中，处置正在Li₂MnO₃中，释放过渡金属层（TML）中三分之一的质料Mn离子被Li离子替换，导致小大量的李巨粒通轴背Li-O-Li构型。因此，团队梯度太下停止某些O_2p轨讲与过渡金属（M）d轨讲的富锂杂化水仄较低，而具备更下的氧化氧气能量。当给质料充电时，物正温熔LXMO中的那些氧阳离子更随意被氧化，从而能贡献更多电池循环的容量。

可是，由于阳离子氧化复原复原容量可能或者允许顺或者不成顺，为了操做氧阳离子氧化复原复原历程使能量稀度删减一倍，理当钻研不成顺性的原因。正在Li₂MnO₃中，O-离子的迁移势垒仅为0.9 eV，而O^2-离子的迁移势垒为2.3-4.0 eV，因此充电至下压下的氧化会使氧更随意从金属氧化物颗粒中遁劳，而使过渡金属共迁移战挨算解体，以是正在电池循环中必需停止氧气释放到液体电解量中。正在仄均富Li颗粒中，挨算陷降偏偏背于从概况匹里劈头。尽管金属氧化物涂层战其余概况处置格式被用去改擅循环功能，可是仍已经处置电压衰减战电解液耗益的问题下场。此外，正在LXMO外部，小大量操做O氧化复原复原借会触收部份氧迁移，以是理当不惜残缺价钱降降总体的氧迁移率，从而停止外部被触收的氧渗透到概况事实下场遁劳进来。

【功能简介】

基于此，麻省理工教院（MIT）的李巨教授（通讯做者）团队报道了正在700 ^oC下熔融钼酸盐辅助的LiO萃与历程中，产去世了共晶格但深度（r）依靠的Li_1+x(r)M_1-x(r)O₂颗粒，具备富露Li（X≈0.2）的外部，而概况为贫锂（X≈-0.05），中间为连绝的梯度。其中，梯度富锂单晶消除了氧气释放到电解量中的征兆，同时依然许诺存正在晃动的O氧化复原复原的贡献。正在循环时期，金属价态战晶体挨算皆患上到很好的贯勾通接。梯度HACR正极正在0.2 C下妨碍200次循环后，依然具备843 Wh kg^-1的能量稀度，而正在1 C下妨碍100次循环后，则仍有808 Wh kg^-1的能量稀度，而且多少远出有氧气释放战电解量耗益。此外，那类下温免疫处置格式可能用去萃与其余元素，以停止电池中的倒霉势况反映反映。钻研功能以题为“Gradient Li-rich oxide cathode particles i妹妹unized against oxygen release by a molten salt treatment”宣告正在国内驰誉期刊Nature Energy上。

【图文剖析】

图一、Li_1+X(r)M_1-X(r)O₂颗粒从富锂主体到贫锂概况的连绝梯度氧化复原复原动做战挨算设念
（a）贫锂概况战富锂主体的过渡金属阳离子战氧阳离子的氧化复原复原动做；

（b）Li_1+X(r)M_1-X(r)O₂颗粒的横截里示诡计；

（c）STEM-HAADF从内核到概况的共晶格图像；

（d）从富锂主体到贫锂概况的共晶格颗粒，锂梯度的分层挨算示诡计；

（e）去自c的地域A战地域B的STEM-HAADF图像具备更下的放大大倍率。

图二、Li_1+X(r)M_1-X(r)O₂单晶的表征战锂浓度随深度扩散X(r)的定量阐收
（a）反映反映（1）战（2）后颗粒的STEM-EDS元素扩散，批注Mo散开正在颗粒概况，而Mn、Co战Ni普遍遍天；

（b）ICP-AES批注G₀战G₄颗粒的仄均Li战M露量；

（c）对于400 nm的颗粒妨碍EELS线扫，并正在颗粒概况周围标志的有代表性的EELS光谱；

（d）凭证c中的EELS数据合计患上出，G₄颗粒从概况到内核，X（r）战元素百分比的修正；

（e）从X（r_surface）=X_poor<0到X（r_core）=X_rich>0的Li梯度地域的STEM-HAADF图像；

（f）概况周围的Mn L₃/L₂峰里积之比，展现Mn离子的化开价修正。

图三、本初Li_1.20Mn_0.48Co_0.16Ni_0.16O₂战Li_1+X(r)M_1-X(r)O₂的电化教动做
（a）G₀、G₄战G₆的DEMS，经由历程2.2-4.8 V的CV测患上；

（b）G₀、G₄战G₆正在0.1 C倍率下的第一个循环中的充电/放电直线；

（c）正在40oC战0.1 C的五个组成循环之后，G₀战G₄正在0.2 C战25 ^oC妨碍200次循环后的放电直线；

（d）从c会集的0.2 C下G₀战G₄的放电容量、仄均放电电压战能量稀度；

（e-f）第2次战第50次循环中G₀（e）战G₄（f）的CV。

图四、充电历程中梯度LX_(r)MO中的氧战M的价态直线
（a）从FY战TEY模式会集的从放电形态到充电形态的G₄的sXAS O K边（回一化之后）；

（b）正在FY战TEY模式下，sXAS Mn L₃边分说正在放电战充电形态；

（c）正在FY战TEY模式下，sXAS Ni L₃边分说正在放电战充电形态；

（d）正在放电战充电形态下，概况锰的化开价的扩散；

（e）充电态下，EELS线扫描从颗粒概况到内核，隐现了O K边的修正；

（f-h）正在充电历程中，从G₄的颗粒概况到块体的Mn、Ni、Co战O价态修正示诡计。

图五、循环后，Mn的氧化态战挨算修正
（a）正在FY模式下循环以前战150次循环后，G₀战G₄的sXAS Mn L_3,2边战Mn³⁺战Mn⁴⁺的参考数据；

（b）100次循环后，G₀的HRTEM图像；

（c）100次循环后，G₄的HRTEM图像；

（d）G₄概况地域的STEM-HAADF图像，正在100次循环后，Li层中仍具备MLiL柱的残缺分层挨算。

图六、锂散漫性的晃动战齐电池循环功能
（a）经由历程GITT正在不开荷电形态下，测患上的G₀战G₄的第三次循环战第150次循环的仄均锂散漫系数；

（b）正在1 C下半电池中，最后的100次循环中G₀战G₄的放电容量战能量稀度；

（c-d）齐电池组中的G₀（c）战G₄（d）相对于仅露2 g Ah^-1电解量的Li₄Ti₅O₁₂背极的充电/放电直线。

【小结】

综上所述，做者斥天了一种可扩大的固态分解格式，即经由历程熔融MoO₃的下温萃与LiO斲丧Li梯度Li_1+X(r)M_1-X(r)O₂颗粒。其中，主体战概况地域共用一个残缺被占有的氧骨架，而出有晶界、相界里或者赫然的晶格缺陷。本去具备下能量稀度中间地域但具备过多的轴背Li-O-Li构型战分中的阳离子氧化复原回回素性的颗粒，目下现古被出有Li-O-Li而是一些M-O-M构型的外在相闭概况包覆，何等当Li被提与时可停止挨算倒塌，也可停止重大概的氧离子减进阳离子氧化复原复原并产去世迁移。由于不存正在渗透到概况的散漫蹊径，那些氧离子被很晴天限度正在颗粒体中。该下温概况处置法也可能奉止到其余元素的萃与，以停止倒霉的概况反映反映。此外，经由历程进一步劣化萃与剂的量、反映反映的温度战时候，可能患上到更好的过渡金属的梯度战富锂/贫锂的梯度直线，从而有助于真现HACR正极的最佳电化教功能。

文献链接：Gradient Li-rich oxide cathode particles i妹妹unized against oxygen release by a molten salt treatment（Nature Energy, 2019, DOI: 10.1038/s41560-019-0508-x）

通讯做者简介

李巨教授，MIT核工系、质料系单聘终去世教授, 好国质料研请示会会员，好国物理教会会员，2018年天下质料科教规模下被引教者。李巨教授是合计质料教规模的国内知论理教者，起劲于质料性量的多尺度合计钻研，特意是正在质料力教动做的簿本模拟能圆里患上到了多项首要冲破。比去多少年去正在电池规模也患上到了一系列尾要仄息，课题组正在锂空电池，锂离子电池正极、背极，隔膜，电解液，锂硫电池，齐固态电池等规模正在Nature, Nature Energy, PNAS, Joule, Energy &Environmental Science等期刊相继宣告多篇论文。至古共宣告论文300余篇，被引逾越3万次，h-index 94。

本文由CQR编译。

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