Nat. Commun：通過減少氧氣損失來提高大容量陽離子無序陰極材料的循環性能

【引言】

隨著對高性能鋰離子電池需求的不斷增加，研究人員已經從不同的化學方法尋求具有高能量密度的陰極材料。滲透理論的最新進展指出，陽離子無序鋰過渡金屬氧化物可作為大容量鋰離子陰極材料。 然而，這些材料傳遞高容量所需的氧化還原過程可以引發氧損失，這導致在陰極顆粒上形成電阻表面層。

【成果簡介】

近日，加州大學伯克利分校Gerbrand Ceder（通訊作者）團隊證明，使用標準固態方法可以將氟摻入大量的無定形的鋰鎳鈦氧化鉬中以增加鎳含量，該組成在減少氧損失方面非常有效，并且提高了能量密度 ，平均電壓和速率性能。實驗結果發現，通過摻入氟的陰離子位點使得價位降低開辟了設計高容量陽離子無序陰極材料的重要機會。相關成果以題為“Mitigating oxygen loss to improve the cycling performance of high capacity cation-disordered cathode materials”發表在了Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 材料設計原則

a）Li過量，氧化還原氧損失之間的關系

b）Li_1.15Ni_0.45Ti_0.3Mo_0.1O_1.85F_0.15（LNF15）的理論容量

圖2 結構表征

a）LN15，LN20和LNF15的X射線衍射圖和細化結果

b）在LNF15顆粒的一個區域（黃色正方形）上的能量色散譜圖（Ni，Ti，Mo，O，F）

圖3 ¹⁹F自旋回波核磁共振（NMR）光譜

自旋回波譜中的旋轉邊帶用星號表示。灰色陰影顯示的是LNF15上收集的¹⁹F投影轉向相調整邊帶分離（pj-MATPASS

各向同性光譜，顯示存在廣泛的重疊信號，跨越寬范圍的諧振頻率。

圖4 循環性能

a-d）在室溫下以20mA g^-1、電壓在1.5和4.6V之間循環的a）LN15，b）LN20，c）LNF15和d）振蕩研磨LNF1

（S-LNF15）的電壓分布圖

圖5 電化學分析

a）在第一次和第二次充電時獲得的電壓曲線

b）初始充電至270mAh g^-1后，來自恒電流間歇滴定試驗（GITT）的LN20（藍色）和LNF15（黑色）的第一次放電電壓曲線

c）振蕩器LNF15（S-LNF15）的放電曲線

圖6 差分電化學質譜法（DEMS）研究

a-c）當充電到4.8V并且以20mA g-1放電至1.5V時a）LN15，b）LN20和c）LNF15的電壓分布，以及O₂（紅色圓圈）和CO₂（藍色三角形）上的DEMS結果

【小結】

該研究證明氟可以通過固態方法摻入大部分無序的巖鹽氧化物中，并且通過氟化改善氧化還原活性金屬（例如Ni）的含量是減少氧化物晶格氧損失的有效策略，最終實現了陽離子無序Li-過量陰極材料的實質性能改進。總體而言，基于氟取代的組成修飾為設計含有TM物質（Ni，Fe，Co等）的大容量陰極材料提供了機會。

文獻鏈接：Mitigating oxygen loss to improve the cycling performance of high capacity cation-disordered cathode materials（Nat. Commun, 2017, DOI:10.1038/s41467-017-01115-0）

本文由材料人新能源前線Allen供稿，材料牛整理編輯。

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