低曲折电极设计助力高性能LMO电池开发

12月21日发表在EnergyMaterialAdvances上的一项新研究提供了一种在细观尺度上增强动态相稳定性和抑制Mn溶解的策略，从而促进了高性能尖晶石LiMn2O4(LMO)电极的开发。

“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，”论文作者、华中科技大学电气与电子工程学院教授谢佳说。“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。”

谢解释说，LMO被认为是一种很有前途的动力锂离子电池正极材料，因为它具有成本低、安全可靠、工作电压高和快速3D锂离子传输通道等优点。

但LMO的循环稳定性限制了其大规模应用。据谢说，挑战是不可逆的相变和锰溶解。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的不可逆相变发生在重复循环过程中。

不可逆相变的连续积累导致LMO颗粒产生裂纹。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，从而加速不可逆相变和颗粒裂纹。所有这些都会导致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。

据谢介绍，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，使掺杂元素与O形成稳定的化学键。牢固的化学键使LMO保持稳定结构，导致比原始LMO更好的电化学性能。

Al2O3、TiO2、ZrO2和Li3PO4等化合物作为包覆层覆盖在LMO表面。该包覆层相当于人工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的形貌，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。

“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，”谢说。“采用冰模板法构建基于CMC粘合剂的低曲折LMO电极。[所得]电极在横截面中具有穿过电极的直通道。”

“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甚至低的介观尺度反应-曲折的LMO电极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，”谢说。

“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，”谢说。“低曲折电极结构设计为开发高性能LMO电池提供了新途径。”