深圳先進院等研發(fā)出新型鋰電正極材料

圖:新型正極材料表征(a,b)、晶體結(jié)構(gòu)解析(c-f)以及純度(g)與熱穩(wěn)定性能表征(h,i)

近日,中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其團隊成員聯(lián)合英國圣安德魯斯大學(xué)教授Lightfoot、澳大利亞斯威本科技大學(xué)教授孫成華、清華-伯克利深圳學(xué)院研究員成會明等,成功研發(fā)出一種具有陰陽離子雙重電化學(xué)活性的新型鋰離子電池正極材料。這一工作對基于多電化學(xué)反應(yīng)活性中心的新型儲能器件及相關(guān)材料的研究具有重要借鑒意義。相關(guān)研究成果An oxalate cathode for lithium ion batteries with combined cationic and polyanionic redox(《一種具有陽離子和聚陰離子氧化還原活性的草酸鹽類鋰離子電池正極材料》)已在線發(fā)表于《自然-通訊》(Nature Communications, 2019,DOI: 10.1038/s41467-019-11077-0)。

隨著便攜式電子設(shè)備、電動乘用工具、儲能等重點行業(yè)的快速發(fā)展,迫使鋰離子電池具有更高性能指標。然而,猶如水桶效應(yīng),鋰離子電池的性能短板在于正極,因此,正極材料的設(shè)計和開發(fā)是目前的研究重點。傳統(tǒng)鋰離子電池正極材料主要包括氧化物和聚陰離子兩大類。其中,氧化物正極如鈷酸鋰等具有過渡金屬和氧負離子兩種氧化還原電對,因此容量較高,然而,氧負離子的電化學(xué)反應(yīng)不穩(wěn)定,易產(chǎn)氣及導(dǎo)致正極結(jié)構(gòu)坍塌,從而引起電池失效和嚴重的安全事故。聚陰離子型正極如磷酸鐵鋰,由于聚陰離子作為結(jié)構(gòu)骨架顯著改善了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,但聚陰離子作為非活性成分降低了整體能量密度。因此,如能開發(fā)出一種新型正極材料,將兩種反應(yīng)機理的優(yōu)勢有效結(jié)合到一起,將有望同時實現(xiàn)高安全與高能量密度的雙高要求。

基于上述考慮,唐永炳及其團隊成員姚文嬌、周小龍等人聯(lián)合國內(nèi)國際團隊成功研發(fā)出一種新型Li2Fe(C2O4)2聚陰離子正極材料,并首次發(fā)現(xiàn)該聚陰離子正極材料同時具有鐵離子和草酸根基團兩種電化學(xué)活性。通過穆斯堡爾譜和原位同步輻射近邊吸收邊和擴展吸收邊精細結(jié)構(gòu)驗證了Fe2+/Fe3+變化的可逆性;采用原位拉曼光譜及碳、氧的同步輻射近邊吸收邊結(jié)構(gòu)驗證了草酸根陰離子基團的可逆變化;進一步的理論計算給出了該新型正極材料的電化學(xué)反應(yīng)機理。該研究發(fā)現(xiàn)了具有陰陽離子雙重電化學(xué)活性的新型聚陰離子正極材料,對研發(fā)基于多電化學(xué)活性中心的二次電池正極材料具有重要指導(dǎo)意義。