研究发明低曲折电极设计 助力高性能LMO电池开发

据外媒报道，华中科技大学研究团队提出一种在介观尺度上增强动态相稳定性和抑制Mn溶解的策略，可促进高性能尖晶石LiMn2O4（LMO）极的开发。相关论文已发表于期刊《Energy Material Advances》。

图片来源：期刊《Energy Material Advances》

论文作者、华中科技大学电气与电子工程学院教授谢佳表示：“电动汽车和电动自行车的发展引发了人们对动力锂离子电池的兴趣。开发具有优异倍率性能、循环稳定性和高能量密度的先进电极材料至关重要。”

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谢教授解释说，凭借低成本、安全可靠、高工作电压和快速3D锂离子传输通道等优点，LMO被认为是一种很有前景的动力锂离子电池阴极材料。

但LMO的循环稳定性限制了其大规模应用，其两大挑战分别是不可逆的相变和锰溶解。在循环重复过程中，从尖晶石结构的LiMn2O4到缺陷尖晶石结构的λ-MnO2、LiMn3O4，甚至岩盐结构的MnO，都在发生不可逆相变。

不可逆相变的连续积累导致LMO颗粒产生裂纹，而LMO颗粒裂纹产生的新暴露表面可以与电解质相互作用，从而促进Mn从LMO中溶解，导致LMO表面过度锂化，进而加速不可逆相变和颗粒裂纹。上述问题都会导致LMO颗粒的劣化和性能的快速衰减，尤其是在快速充电条件下。

谢教授称其团队已经提出了包括元素掺杂、表面改性和形态调控在内的先进策略来减轻LMO颗粒的降解。例如，采用金属元素（Mg、Ni）和非金属元素（B、P）作为掺杂元素，取代微量的Mn，从而使掺杂元素与O形成稳定的化学键。牢固的化学键使LMO可以保持稳定结构，从而实更好的现LMO电化学性能。

Al2O3、TiO2、ZrO2和Li3PO4等化合物作为涂层覆盖在LMO表面，相当于人工CEI，减少了LMO与电解液的直接接触，从而抑制了Mn的溶解和体积变化。此外，调控LMO的结构，如纳米结构材料、截角八面体晶体结构设计等，也是提高性能的有效手段。这些策略主要侧重于改性活生物体材料本身的改性。

谢教授表示：“本文从电极结构设计的角度减轻了LMO的降解，从而提高了LMO的循环稳定性。采用冰模板法构建基于CMC粘合剂的低曲折LMO电极，所得电极横截面中会具有穿过电极的直通道。”

谢教授还表示：“低曲折度结构使LMO电极具有快速的锂离子扩散和小浓度极化，从而导致电极微区内的均匀电化学反应。此外，快速的锂离子传输动力学，以及低曲折度LMO的介观尺度反应，有效地缓解了不可逆的相变和Mn的溶解，并抑制了LMO颗粒中裂纹的产生。”

谢教授称：“快速的离子传输动力学行为和稳定的相结构赋予低曲折LMO电极优异的倍率性能和循环稳定性，使其成为更具竞争力的阴极。低曲折电极结构设计为开发高性能LMO电池提供了新途径。”