中國(guó)粉體網(wǎng)訊 目前，電動(dòng)汽車面臨續(xù)航里程短和安全性不足等問(wèn)題，制約了其大規(guī)模推廣。如果電動(dòng)汽車擁有與燃油車相當(dāng)?shù)睦m(xù)航里程（~500公里），消費(fèi)者駕駛電動(dòng)汽車時(shí)將不再有里程焦慮，有利于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣。目前商業(yè)化的動(dòng)力鋰電池能量密度一般在150Wh/kg上下，要實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程翻倍，動(dòng)力鋰離子電池的能量密度必須翻倍至300-400Wh/kg。從技術(shù)層面看，采用更高比容量的正負(fù)極材料是提高電池能量密度最為直接有效的途徑。在目前已知正極材料中，富鋰錳基正極材料放電比容量高達(dá)300mAh/g，是當(dāng)前商業(yè)化應(yīng)用磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料放電比容量的一倍左右，因而被視為新一代高能量密度動(dòng)力鋰電池正極材料的理想之選。雖然富鋰錳基正極材料具有放電比容量的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但要將其實(shí)際應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池，必須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題：一是降低首次不可逆容量損失；二是提高倍率性能和循環(huán)壽命；三是抑制循環(huán)過(guò)程的電壓衰減。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室劉兆平和夏永高領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)一直致力于富鋰錳基正極材料的研究開(kāi)發(fā)，在制備方法、組分優(yōu)化、充放電機(jī)理和表面改性等方面做了系列有意義的研究工作，取得了豐富的研究成果（J. Mater. Chem. A 2011, 21, 2544; Inter. J. Electrochem. Sci. 2011, 6, 6670; Electrochim. Acta, 2012, 66, 61; Electrochim. Acta, 2012, 80, 15; J. Power Sources, 2012, 218, 128; J. Power Sources, 2013, 240, 530; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 9185; J. Power Sources, 2014, 268, 517; Electrochim. Acta 2014, 123: 317; J. Power Sources, 2014, 268, 683; Chem. Eur. J., 2015, 21, 7503; J. Mater. Chem. A, 2015, 22, 11930; J. Power Sources, 2015, 281, 7）。
2013年，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新穎的氣固界面改性（CN201310416745.1，PCT/CN2013/088597），讓富鋰錳基正極材料顆粒表面形成均勻氧空位，從而大大提高了該材料的首次充放電效率、放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。此后，他們與國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作和協(xié)同創(chuàng)新，利用各種先進(jìn)的分析表征手段和理論計(jì)算，研究了氧空位存在下的鋰離子脫嵌機(jī)制。其中，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BNL）教授朱溢眉、吳力軍等利用先進(jìn)透射電鏡觀察到氧空位，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）教授孟穎課題組利用橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中子衍射證明了晶格氧空位的存在，德國(guó)明斯特大學(xué)博士王軍利用原位電化學(xué)氣相質(zhì)譜研究了充放電過(guò)程中晶格氧的變化，邱報(bào)利用上海同步輻射光源的X射線衍射/吸收光譜證明了氧空位并不改變材料晶體結(jié)構(gòu)，孟穎課題組博士張明浩還通過(guò)DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)氧空位提高了材料晶格氧的活性。該研究工作發(fā)表在Nature Communications 2016, 7, 12108，得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)。該工作首次提出了通過(guò)提高晶格氧的活性來(lái)改善富鋰錳基正極材料的首次充放電效率和倍率性能，為該材料改性研究提供了新思路。此外，該氣固界面改性方法相對(duì)簡(jiǎn)單、可控且易實(shí)現(xiàn)工程化，這為高性能富鋰錳基正極材料的工程化開(kāi)發(fā)提供了新途徑。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正在利用此改性方法著力推進(jìn)富鋰錳基正極材料的中試開(kāi)發(fā)。
該研究工作得到了中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)A類項(xiàng)目“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”專項(xiàng)“長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池”項(xiàng)目（XDA09010101）、CAS-DOE國(guó)際合作項(xiàng)目“新一代鋰離子電池富鋰錳基正極材料的結(jié)構(gòu)解析與儲(chǔ)鋰機(jī)制”（174433KYSB20150047）和寧波市新一代鋰離子電池材料創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2012B82001）的大力資助。
圖1. 氣固界面反應(yīng)原理圖和反應(yīng)前后相應(yīng)元素分布圖
圖2. 富鋰錳基正極材料改性前后的電化學(xué)性能
