周豪慎/何平AFM: 单晶富锂层状正极材料的析氧和结构畸变抑制

富锂氧化物可被视为下一代高能量密度锂离子电池的正极材料，因为额外的氧氧化还原活性大大提高了输出能量密度。然而，氧损失和结构畸变导致初始库仑效率低和循环性能严重衰减，进一步阻碍了它们的工业应用。

在此，日本产业技术综合研究所（AIST）周豪慎、曹鑫（Xin Cao）及南京大学何平教授等人通过共沉淀辅助熔盐策略制备了一种单晶富锂Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂（SC-LLNMO）作为正极材料，其在第一次充电过程中的氧相关平台位于4.75 V，不同于典型的多晶Li_1.2Ni_0.2Mn_0.6O₂（PC-LLNMO, 4.55 V）。

研究表明，PC-LLNMO在第一次氧活化过程中氧析出严重导致不可逆放电容量为101 mAh g^-1，而SC-LLNMO的不可逆氧析出行为得到了良好的抑制。此外，单晶样品中的层状/尖晶石相变得到了有效地抑制，提高了结构的稳定性，并在长循环时实现了有限的电压衰减。

图1. PC-和SC-LLNMO的结构表征和电化学性能

值得注意的是，与PC-LLNMO (2.34%) 相比，SC-LLNMO样品在Li⁺ (脱) 嵌入过程中表现出有限的体积变化 (1.47 %)，其中严重的裂纹产生只在多晶电极中检测到。

受益于氧损失受限、体积变化有限和稳定的结构演化，SC-LLNMO正极不仅产生了257 mAh g^-1的高可逆容量，还表现出了优异的循环性能，200次循环后容量保持率为 92%，而多晶对应物在相同的电化学条件下表现出快速容量衰减，同时容量保持率为68%。这些发现表明，单晶的形态设计可以被视为实现高能量密度和长寿命锂离子电池的有效策略。

图2. PC-和SC-LLNMO样品锂化/脱锂过程的原位XRD表征

Restraining Oxygen Release and Suppressing Structure Distortion in Single-Crystal Li-Rich Layered Cathode Materials, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202110295

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周豪慎/何平AFM: 单晶富锂层状正极材料的析氧和结构畸变抑制

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