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梭形多孔微纳结构设计：更稳定的高性能富锂正极材料
注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
锂离子电池以其能量密度高、循环寿命长和工作电压宽，被广泛用于现代通讯、空间技术、信息技术、国防等高科技领域，被誉为高效的绿色能源。其中，正极材料是决定锂离子电池性能和成本的关键因素。然而，传统的正极材料其放电比容量低很难满足高容量、高能量密度电子产品的需求。近年来，富锂层状正极材料xLi2MnO3·(1-x)LiMO2（M=Mn, Ni, Co, etc.）由于其比容量高，充放电电压范围宽，环境友好等优点受到了广泛的关注。然而，该材料存在首次库伦效率低、高电压下循环寿命短、大倍率充放电性能差、振实密度低等缺陷，阻碍了其商业化的步伐。
湘潭大学王先友（点击查看介绍）团队设计和提出了一种温和而简单的共沉淀法，合成了具有梭形多孔微纳结构的富锂锰基正极材料。这种由角形框架结构组成的梭形微纳结构具有极高的电化学稳定性，为材料的循环性能提供保障。同时，多孔结构能有效提高活性粒子的比表面积，增大活性粒子与电解液的接触面积，进而缩短了锂离子和电子的扩散路径，提高锂离子传输速率，有效改善材料的倍率性能。综合以上优势，该富锂锰基正极材料在2.0-4.6 V，0.5 C（1 C=200 mA g-1）条件下循环200次后，其放电比容量仍有220.6 mAh g-1，容量保持率高达87.1%。此外，在10 C的大倍率充放电条件下，其放电比容量仍可高达139.5 mAh g-1，显示出极佳的倍率性能。这一研究为富锂锰基正极材料面临的循环稳定性和倍率性能差的问题提供了一种新的解决方法，对于发展高性能锂离子电池具有重要意义。
这一成果近期发表在《Journal of Materials Chemistry A》上，文章的第一作者是湘潭大学硕士研究生王钢。
该论文作者为：Gang Wang, Xianyou Wang*, Liling Yi, Ruizhi Yu, Meihong Liu, Xiukang Yang
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Preparation and performance of 0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 with fusiform porous micro-nano structure
J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 15929-15939, DOI: 10.1039/C6TA06435C
王先友教授简介
王先友教授现任湘潭大学研究生院院长，二级教授、博士生导师，National Autonomous University of Mexico（UNAM）教授，享受国务院政府特殊津贴专家，首届湖南省先进科技工作者，湘潭市产业科技领军人才，2014、2015能源领域中国高被引学者。“新能源装备及储能材料与器件国家国际科技合作基地”主任，“新型储能电池关键材料制备技术国家地方联合工程实验室”主任，“电化学能源储存与转换湖南省重点实验室”主任。主要从事新型化学电源及先进储能材料的研究，出版了中国第一部锂离子电池专著--《锂离子电池》（合著），获国家发明授权专利18项，发表SCI论文240多篇，其中8篇进入ESI前1%。获中国产学研促进奖、湖南省技术发明二等奖、第12届中国专利优秀奖、湖南省国防科学技术进步一等奖等省部级奖励。
http://www.x-mol.com/university/faculty/14262
近期论文：
R. Yu, G. Wang, M. Liu, X. Zhang, X. Wang*, H. Shu, X. Yang, W. Huang, Mitigating voltage and capacity fading of lithium-rich layered cathodes by lanthanum doping, Journal of Power Sources, 35, 65, (2016).
R. Yu, X. Wang*, Y. Fu, L. Wang, S., M. Liu, B. Lu, G. Wang, D. Wang, Q. Ren, X. Yang, Effect of magnesium doping on properties of lithium-rich layered oxide cathodes based on a one-step co-precipitation strategy, Journal of Materials Chemistry A, 4, 4941, (2016).
R. Yu, G. Wang, X. Wang,* D. Wang, W. Wen, Hongbo Shu, X. Yang, Design and Preparation of a Lithium-rich Layered Oxide Cathode with a Mg-Concentration-Gradient Shell for Improved Rate Capability, ChemElectroChem, 2, 1346, (2015).
R. Yu, X. Wang,* D. Wang, L. Ge, H. Shu, X. Yang, Self-assembly synthesis and electrochemical performance of Li1.5Mn0.75Ni0.15Co0.10O2+δ microspheres with multilayer shells, Journal of Materials Chemistry A, 3, 3120, (2015).
D. Wang, X. Wang*, R. Yu, Y. Bai, G. Wang, M. Liu, X, Yang, The control and performance of Li4Mn5O12 and Li2MnO3 phase ratios in the lithium-rich cathode materials, Electrochimica Acta, 190, 1142, (2016).
D. Wang, M. Liu, X. Wang*, R. Yu, G. Wang, Q. Ren, X. Yang, Facile synthesis and performance of Na-doping porous lithium-rich cathodes for lithium ion batteries, RSC Advances, 6, 57310, (2016).
D. Wang, R. Yu, X. Wang*, L. Ge, X. Yang, Dependence of structure and temperature for lithium-rich layered-spinel microspheres cathode material of lithium ion batteries, Scientific Reports, (2015), 5,DOI: 10.1038/srep08403.
D. Wang, X. Wang*, X. Yang, R. Yu, L. Ge, H. Shu, Polyaniline modification and performance enhancement of lithiumrich cathode material based on layered-spinel hybrid structure, Journal of Power Sources, 293, 89, (2015).
X. Yang, R. Yu, L. Ge, D. Wang, Q. Zhao, Xi. Wang,* Y. Bai, H. Yuan, H. Shu, Facile synthesis and performances of nanosized Li2TiO3-based shell encapsulated LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2 microspheres, Journal of Materials Chemistry A, 8362, 2, (2014).
X. Yang, D. Wang, R. Yu, Y. Bai, H. Shu,* L. Ge, H. Guo, Q. Wei, L. Liu, X. Wang*, Suppressed capacity/voltage fading of high-capacity lithium-rich layered materials via the design of heterogeneous distribution in the composition, Journal of Materials Chemistry A, 2, 3899, (2014).
G. Wang, W. Wen, S. Chen, R. Yu, X. Wang*, X. Yang, Improving the electrochemical performances of spherical LiNi0.5Mn1.5O4 by Fe2O3 surface coating for lithium-ion batteries, Electrochimica Acta, 212, 791, (2016).
G. Wang, X. Wang∗, L. Yi, L. Wang, R. Yu, M. Liu, D. Wang, Q. Ren, X. Yang, The effects of LiTi2(PO4)3 modification on the performance of spherical Li1.5Ni0.25Mn0.75O2+δ cathode material, RSC Advances, 6, 46325, (2016).
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：众所周知，锂离子电池已广泛各种便携式电子设备，但是其能量密度不能满足当前大型电动汽车及智能电网等领域的需求，因此，课题组针对富锂锰基正极材料倍率性能不佳及循环寿命差等问题，通过对材料的结构、形貌进行设计和优化，赋予其特殊的结构和几何特性来提高材料的电化学性能。所制备的具有梭形多孔微纳富锂层状氧化物作为锂离子电池正极材料显示出了优异的电化学性能，这为高性能的锂离子正极材料的大规模生产提供了一条新的途径。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：本项目研究中最大的挑战是如何制备出形貌、尺寸及孔径大小可控的前驱体材料，以及随后的固相反应工艺参数的控制，以获得具有优异电化学性能的梭形多孔微纳结构的富锂正极材料。在这个过程中，我们团队在富锂锰基正极材料的形貌调控及结构设计方面的经验积累起了至关重要的作用。