Angew. Chem. :氧化物分子轨道调控提高锂离子电池正极材料的结构稳定性

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目前,锂离子电池面临着电池能量密度较低等问题,这使得其进一步发展受到严重影响。业界普遍认为提高锂离子电池能量密度的关键在于电池电极材料。市场上主流的锂电正极材料主要包括层状氧化物,尖晶石型氧化物以及聚阴离子型氧化物等。这些氧化物正极材料在结构上均由氧离子骨架与间隙金属阳离子组成,其中间隙阳离子能够显著影响氧骨架的稳定性,从而影响电池材料的电化学性能。


商业化正极材料中的间隙阳离子(除锂离子外)通常为过渡族金属元素,如锰,镍,钴等。这些过渡族金属元素与氧骨架之间的键合均为3d-2p轨道相互作用。然而,由于3d-2p杂化轨道相互作用较弱,从而使得氧化物结构稳定性差,难以适应较高的工作电压而导致电池容量迅速衰减。


近日,澳大利亚阿德莱德大学郭再萍教授与伍伦贡大学Wei Kong Pang副教授合作,以尖晶石氧化物正极(LiNi0.5Mn1.5O4)为例,通过引入Ge 4s-O 2p轨道相互作用来提高尖晶石结构中氧骨架的稳定性。与传统的3d-2p轨道相比,4s-2p分子轨道因其具有更低的轨道能量而更加稳定。改性后的尖晶石材料表现出非常优异的电化学循环性能,在1C电流密度下循环2000圈后仍能够保持71.4%的初始容量。

通过电镜表征分析以及粉末衍射数据精修结果,作者发现,由于材料中Ge元素的掺杂位点的不同导致其价态存在差异。理论计算以及一系列实验证据表明,处于结构中16c位置的Ge元素在其4s轨道上存在孤电子([Ar] 3d104s1), 可与O 2p轨道电子发生强相互作用,形成4s-2p分子杂化轨道;同时 Ge元素也存在于结构中的16d位置,然而该位置上的Ge元素(电子构型[Ar] 3d10) 仅能形成3d-2p 杂化轨道。

近边X射线吸收精细结构谱图结果表明,由于结构中4s-2p轨道强相互作用的存在,尖晶石中的氧骨架稳定性得到显著增强,在充放电过程中状态变化较小,同时稳定的氧骨架也减少了结构中Mn的溶解。另一方面,原位X射线衍射结果表明,改性后的尖晶石材料结构稳定性得到了显著提高。这有效避免了高电压区间内不利的两相反应,从而使得该材料表现出优异的循环稳定性。

这项工作深刻揭示了轨道相互作用对氧化物电极材料稳定性的影响,并为设计高性能电池材料提供了一种全新的研究思路。

文信息

Introducing 4s–2p Orbital Hybridization to Stabilize Spinel Oxide Cathodes for Lithium-Ion Batteries

Dr. Gemeng Liang,Dr. Emilia Olsson,Dr. Jinshuo Zou,Dr. Zhibin Wu,Jingxi Li,Dr. Cheng-Zhang Lu,Dr. Anita M. D'Angelo,Dr. Bernt Johannessen,Dr. Lars Thomsen,Dr. Bruce Cowie,Prof. Vanessa K. Peterson,Prof. Qiong Cai,Dr. Wei Kong Pang,Prof. Zaiping Guo


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202201969


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