北京大學(xué)新材料學(xué)院：發(fā)現(xiàn)自旋電子超交換相互作用如何調(diào)控鋰電池正極材料

【成果簡介】

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三元層狀正極材料中過渡金屬離子之間“自旋電子超交換”作用。本工作由新材料學(xué)院潘鋒教授、鄭家新副研究員指導(dǎo)碩士生滕高烽、辛潮博士后、博士生卓增慶共同完成，研究成果以“Role of Superexchange Interaction on Tuning of Ni／Li Disordering in Layered Li（NixMnyCoz）O2”為題發(fā)表J． Phys． Chem． Lett．上。在美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室楊萬里教授參與軟X射線的實(shí)驗(yàn)測量和機(jī)理討論。以上工作得到了國家材料基因組重大專項(xiàng)（2016YFB0700600）、國家自然科學(xué)基金（Nos． 21603007 and 51672012）、深圳市科技創(chuàng)新委 （Nos．JCYJ20150729111733470 and JCYJ20151015162256516）的資助支持。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 鋰電池三元層狀正極材料結(jié)構(gòu)

（a）鋰電池三元層狀正極材料結(jié)構(gòu)；

（b）Ni／Li反位（TM）6?O3?Ni?O3?Li（TM）5結(jié)構(gòu)基元；

（c）過渡金屬層中反位Li的離子環(huán)境。

圖2 三元層狀材料Ni／Li反位后形成180°超交換相互作用

【研究內(nèi)容】

鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品、人工智能、電動汽車、無人機(jī)等前沿科技領(lǐng)域。正極材料是鋰離子電池的核心部分，直接決定了鋰電池的能量密度、充放電循環(huán)性能、安全性、成本等。目前參與意義的正極材料有磷酸鐵鋰（LiFePO4）和三元層狀材料（Li（NixMnyCoz）O2），其中三元層狀材料具有較高的能量密度，是目前鋰離子電池廣泛應(yīng)用的正極材料（如特斯拉電動汽車所采用的正極材料），也是鋰離子電池領(lǐng)域研究了幾十年、研究最為廣泛的一類材料。對這類材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性的深入研究，不僅對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用有重要意義，也為探索發(fā)現(xiàn)更好的正極材料奠定基礎(chǔ)。

在這類層狀材料中，過渡金屬離子層與鋰層交替排列，之間通過氧層間隔開。研究發(fā)現(xiàn)Ni／Li反位很容易發(fā)生在三元層狀材料中（見圖1），對其性能發(fā)揮產(chǎn)生影響，如影響鋰離子的擴(kuò)散速度、容量發(fā)揮和引發(fā)結(jié)構(gòu)相變等，也有少數(shù)報(bào)道指出適量的Ni／Li反位有利于電化學(xué)循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。所以Ni／Li反位對電化學(xué)性能的影響以及如何調(diào)控Ni／Li反位，成為大家普遍關(guān)心和研究的重要課題。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為Ni／Li反位是由于Ni2＋與Li＋具有相似的離子半徑，Ni2＋容易反位到Li（3b）的位置，但這很難解釋高Ni層狀材料中含有較多的Ni3＋，但Ni／Li反位卻更容易發(fā)生。因此對其背后的機(jī)理進(jìn)行重新研究和深入認(rèn)識具有基礎(chǔ)理論和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用意義。

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三元層狀正極材料中過渡金屬離子之間“自旋電子超交換”作用（兩個(gè)過渡金屬（TM）的自旋電子通過所共同鏈接的氧原子（O）的電子作為橋梁進(jìn)行電子“超”交換相互作用，如圖2所示），從而對Ni／Li反位起到關(guān)鍵性的調(diào)制作用。Ni／Li反位后，反位Ni2＋會發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)，與過渡金屬層的過渡金屬離子（Ni2＋， Ni3＋，Mn4＋）形成180°的超交換作用。由于反位Ni2＋的3d軌道與O2－的2p軌道形成較強(qiáng)的σ鍵，這種180°超交換作用大大強(qiáng)于原過渡金屬層狀內(nèi)的90°超交換相互作用。在反位Ni2＋與過渡金屬層過渡金屬離子形成的180°超交換相互作用中，Ni2＋－O2－Ni2＋最強(qiáng)，Ni2＋－O2－Co3＋最弱，所以Ni／Li反位最易發(fā)生在反位后能形成較多線性Ni2＋－O2－Ni2＋的位置。這也解釋了為什么在以往的實(shí)驗(yàn)報(bào)道中發(fā)現(xiàn)高Ni尤其是含有更多Ni2＋的三元層狀材料中含有較多的Ni／Li反位，而在“Ni＝Mn”三元層狀正極材料中，Co能抑制Ni／Li反位。基于超交換作用模型，課題組還發(fā)現(xiàn)在高Ni含有Ni2＋／Ni3＋混合價(jià)態(tài)的層狀材料中，Ni3＋會優(yōu)先反位到Li層形成Ni2＋，發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)形成更多的線性Ni2＋－O2－Ni2＋超交換作用。同時(shí)由于電荷補(bǔ)償作用，原Ni3＋附近的Co3＋會變到Co4＋，這也是課題組在國際上首次預(yù)測在高Ni三元層狀材料中有Co4＋存在。該預(yù)測也得到了美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的同步輻射軟X射線吸收譜的證實(shí)。上述發(fā)現(xiàn)不僅為三元層狀正極材料長期以來的Ni／Li反位現(xiàn)象提供了很好的機(jī)理解釋，也為今后三元正極材料的反位缺陷可控調(diào)制、新型三元材料的設(shè)計(jì)提供了重要線索，如尋找可替換Co的更便宜的金屬離子。