北大潘锋/张明建AEM：揭示Co和Ni在富锰层状正极中的作用

近期减少对昂贵的Co和Ni元素的依赖性的迫切需求使富含Mn的层状氧化物作为可充电锂离子电池的潜在正极更具吸引力。尽管对富镍正极中的Co和Ni效应进行了详细研究，但对于Co和Ni取代对富锰层状正极的结构和电化学性能的影响仍然缺乏基本认识。

在此，北大深圳研究生院新材料学院潘锋教授、张明建副研究员等人设计了三种富Mn含量（0.78）的典型富锰层状氧化物Li_0.7Mn_0.78Co_0.22O₂（LMCO）、Li_0.75Mn_0.78Co_0.11Ni_0.11O₂（LMCNO）和Li_0.74Mn_0.78Ni_0.22O₂（LMNO），研究了Co取代、Co和Ni共取代及Ni取代对富锰正极结构稳定性和电化学性能的影响。

比较结构分析和电化学测量表明，Co取代的LMCO显示出过高的晶格氧活性，并且在高电荷状态下存在严重的氧损失和相分离，导致循环过程中不可逆的向尖晶石相的转变和初级粒子中的大量微裂纹。因此对富锰正极的结构稳定性具有破坏性，从而导致循环稳定性差。

图1. LMCO、LMCNO和LMNO正极的电化学性能

相比之下，Ni的引入导致了TM₂Li-O-NiLi₂(TM指过渡金属)和TM₃-O-NiLi₂的层间Li/Ni混合和独特的局域氧构型，有效地抑制了高电位下的晶格氧损失和相分离，提高了阴离子骨架的结构稳定性，从而大大提高了循环稳定性。

这些发现补充了Co、Ni和Mn基层状氧化物正极的元素化学，并有利于未来锂离子电池的无钴富锰层状正极材料的开发。

图2. Co和Ni在富锰层状正极中的作用

Revealing Roles of Co and Ni in Mn-Rich Layered Cathodes, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202102646

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北大潘锋/张明建AEM：揭示Co和Ni在富锰层状正极中的作用

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