富鋰錳基三元材料Li1.208Ni0.333Co0.042Mn0.417O2的電子結構和缺陷性質*

黃文軍 王亞平 曹昕睿 吳順情 朱梓忠

(廈門大學物理科學與技術學院, 廈門 361005)

(2021 年3 月2 日收到; 2021 年6 月3 日收到修改稿)

1 引 言

鋰離子電池自商業化以來, 因具有相對較高的比能量、良好的倍率性能和有效的循環穩定性而得以迅速發展, 并廣泛應用于便攜式電子產品、電動汽車和航空航天等領域[1-5]. 隨著大規模儲能應用和技術的迅速發展, 當前的鋰離子電池已經不能滿足日益增長的對能量密度的要求, 研發更高能量密度的下一代鋰離子電池至關重要[6,7]. 電極材料在電池的電化學行為中起著關鍵的作用, 其中第一個商業化的 LiCoO2正極和碳負極仍然主導著鋰離子電池領域[8-10]. 但是, 與已開發的可逆容量超過1000 mA/g 且循環穩定性和低成本的硅/碳復合負極材料相比[11,12], 層狀LiCoO2正極實際上只能提供約150 mA/g (其理論比容量可以達到275 mA/g)[9,13]. 此外, 地球上鈷源的稀缺性導致LiCoO2材料的高成本, 也限制了它在電動汽車中的應用.

在過去的幾十年中, 開發高容量、低成本且具有持久的循環壽命以及優異的充放速率和安全性能的正極材料一直是鋰離子電池研究的重要方向.在眾多的正極候選材料中, 層狀過渡金屬氧化物,包括Li(NixCoyMn1–x–y)O2(即NCM 三元材料) 和富鋰的Li1+z(Mn1–xMx)1–zO2(M= Ni, Co, Ru, Sn等)[14-16], 尖晶石型的LiM2O4(M= Ni, Mn)[17,18]和橄欖石型的LiMXO4(M= Fe, Mn, Co;X=P, Si)[19-21]正極材料得到了特別的重視. 富鋰三元層狀氧化物正極材料, 由于其高于300 mA/g 的比容量, 大于1000 W·h/kg 的能量密度以及豐富錳源帶來的低成本, 被認為是下一代鋰離子電池中最具有應用前景的正極材料之一……