材料学院夏定国课题组在锂电池高容量正极材料研究领域取得新进展

近几十年来，锂离子电池中高容量层状氧化物发展的主要技术路线是通过体相掺杂和表面修饰等方法，提高充电截止电压，增大可逆脱嵌锂能力。然而层状氧化物高电压深度脱嵌锂时，晶格本征的应力应变及释氧，引发不可逆相变，电化学性能衰退。考虑层状氧化物中拓扑结构和氧的堆叠在层状氧化物功能中的作用，材料科学与工程学院夏定国教授课题组近年来系统探索了不同结构过渡金属层状氧化物的电化学性能。

在富镍正极材料中，构建有序超结构，调制材料颗粒形貌，优化充放电过程中的应力应变特性，所制备的富镍层状过渡金属氧化物不仅表现出239mAh g⁻¹的高放电比容量，并在4.6V的高充电上限工作电压200次循环后表现了94.5%的优异保持率。与硅碳负极配对的锂离子电池单体能量密度高达404Wh kg⁻¹，300次循环后保持91.2%，该材料展示了其在电动汽车领域巨大的应用潜力。研究论文于7月23日在Nature Sustainability杂志在线发表。这项工作不仅将镍基锂离子电池的能量密度提升至400Wh kg⁻¹的水平，而且为正极材料的结构设计提供了新策略。杨同欢、张琨为第一作者，夏定国为论文通讯作者。

在锰基富锂层状正极材料中构建具有高锂离子扩散系数的孪生结构，在不同的锂离子扩散通道之间搭建"桥梁"，实现二维材料具有三维锂离子扩散特性。制备的材料在0.1C时的比容量为303mAhg^-1，在1C时的比容量为253mAhg^-1。更重要的是，孪生结构还起到了"防波堤 "的作用，抑制了锰离子的迁移，提高了整体结构的稳定性，从而实现了长期循环稳定性，在200次循环后，1C下的容量保持率为 85%。这种在层状富锂正极中构建三维锂离子扩散通道的策略将为其他层状氧化物正极的研究和开发开辟新的途径，并有可能应用于工业领域。该成果发表在Advanced Materials【2023，35（52）】、EnergyStorage Materials（2024,71）上，第一作者是杨亚丽博士，夏定国为论文通讯作者。同时，针对锰基富锂层状正极材料提出未来的发展方向，论文于年6月22日在Advanced Materials在线发表。李彪是第一作者，夏定国为论文通讯作者。

图1a 富镍层状正极材料中[001]方向原子排列；b 电化学性能

图2a 锰基富锂正极材料孪晶结构；b 电化学性能

上述工作得到国家重点研发计划（2022YFB2502100）和国家自然科学基金重点课题（No.53130202）的支持。