
元能科技(廈門)有限公司

已認(rèn)證
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已認(rèn)證
第一作者:房友友
通訊作者:蘇岳鋒,,董錦洋,,陳來(lái)
發(fā)表單位:北京理工大學(xué),,北京理工大學(xué)創(chuàng)新中心
使用設(shè)備:元能科技PRCD1100粉末電阻率儀
01 研究背景
隨著電動(dòng)汽車和便攜式儲(chǔ)能系統(tǒng)的迅速發(fā)展,,鋰離子電池的能量密度和成本效益亟待提高,,而富鋰錳基氧化物(LLO)材料在這些領(lǐng)域脫穎而出,。盡管該材料具有高比能,、低成本的優(yōu)勢(shì),,但它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中存在很大的障礙,包括初始庫(kù)侖效率低,、循環(huán)/倍率性能差,、電壓衰減等問(wèn)題,阻礙了它們的廣泛應(yīng)用,。為此,,我們引入了一種離子-電子雙導(dǎo)電(IEDC)表面控制策略,該策略將電子導(dǎo)電性高的石墨烯框架與離子導(dǎo)電性高的異質(zhì)外延尖晶石Li4Mn5O12層集成,。電化學(xué)測(cè)試和結(jié)構(gòu)分析表明,,這種IEDC異質(zhì)結(jié)構(gòu)有效地減少了極化,減輕了結(jié)構(gòu)畸變,,并增強(qiáng)了電子/離子擴(kuò)散,。密度泛函理論計(jì)算強(qiáng)調(diào)了層狀尖晶石界面上豐富的Li+滲透網(wǎng)絡(luò)和較低的Li+遷移能。
02 工作簡(jiǎn)介
近日,,來(lái)自北京理工大學(xué)的吳鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為“Ionic-electronic dual-conductor interface engineering and architecture design in layered lithium-rich manganese-based oxides”的研究論文,。該研究通過(guò)構(gòu)建離子-電子雙導(dǎo)體(IEDC)界面,,將高電子導(dǎo)電性的石墨烯框架與高離子導(dǎo)電性的尖晶石Li4Mn5O12異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)相結(jié)合,顯著提高了富鋰錳基正極材料(LMO)的電化學(xué)性能,。
03 內(nèi)容表述
圖1展示了IEDC界面工程的制備過(guò)程和設(shè)計(jì)原理的示意圖,。該過(guò)程涉及在石墨烯(Gr)網(wǎng)格中進(jìn)行后熱處理和化學(xué)包覆過(guò)程,從而使本體樣品的層狀結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)出自身誘導(dǎo)的尖晶石異質(zhì)相,。因此,,LMO顆粒被尖晶石-Gr混合層包裹,,形成LMOSG樣品,。由于外延尖晶石異質(zhì)相的高離子擴(kuò)散性能而增強(qiáng)了Li+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí),,石墨烯網(wǎng)絡(luò)優(yōu)良的導(dǎo)電性能降低了脫鋰極化,,并強(qiáng)化了電極/電解液界面。這種創(chuàng)新的表面重構(gòu)設(shè)計(jì)顯著改善了循環(huán)和倍率性能,,為提高LMO正極穩(wěn)定性提供了一種有前景的策略,。
圖1.(a)LMO,(b)LMOS和(c)LMOSG的CEI演變示意圖及電化學(xué)過(guò)程中的電子/Li+導(dǎo)電對(duì)應(yīng)關(guān)系
【本文亮點(diǎn)一】
通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證,,證實(shí)了IEDC界面工程在促進(jìn)Li+擴(kuò)散和穩(wěn)定晶格氧方面的有效性,。
圖2. (a)Li2MnO3,(b)Gr-Li4Mn5O12(010)和(c)Gr-Li4Mn5O12(001)的結(jié)構(gòu)模型及相應(yīng)的總態(tài)密度圖(d-f),,(g,,i)Li2MnO3和(h,j)Gr-Li4Mn5O12(010)的Li+擴(kuò)散路徑及相應(yīng)的擴(kuò)散能壘,,(k)Li2MnO3和Gr-Li4Mn5O12(010)的氧空位形成能,,(l)Gr-Li4Mn5O12(010)表面的差分電荷密度
圖2通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算和結(jié)構(gòu)模型,揭示了IEDC界面工程對(duì)Li+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和材料穩(wěn)定性的影響,。圖中展示了Li2MnO3,、Gr-Li4Mn5O12(010)和(001)晶面的構(gòu)造模型及其總態(tài)密度圖,引入Gr和Li4Mn5O12后費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密度明顯增加,,表明Gr組分增強(qiáng)了Li2MnO3的電子導(dǎo)電性,。Li+擴(kuò)散路徑和相應(yīng)的擴(kuò)散能壘分析表明,Gr-Li4Mn5O12(010)的Li+擴(kuò)散能壘與Li2MnO3相比,,從0.576 eV降低到0.367 eV,,歸因于Li4Mn5O12提供的三維鋰擴(kuò)散通道。氧空位形成能的分析顯示,,Gr-Li4Mn5O12(010)的氧空位形成能顯著高于Li2MnO3,,表明IEDC界面工程增強(qiáng)了晶格氧的穩(wěn)定性。差分電荷密度圖揭示了Gr和Li4Mn5O12(010)之間界面上電子分布情況,,表明電子更容易從石墨烯轉(zhuǎn)移到Li4Mn5O12的外層氧原子上,。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了IEDC界面工程在促進(jìn)Li+擴(kuò)散和穩(wěn)定晶格氧方面的有效性,,從而提升了富鋰正極材料的電化學(xué)性能。
【本文亮點(diǎn)二】
首次將尖晶石Li4Mn5O12與石墨烯結(jié)合,,形成了一種新穎的離子-電子雙導(dǎo)體(IEDC)界面,。
圖3. (a)LMO,(b)LMOS和(c)LMOSG樣品的SEM圖像,,(d)XRD總譜圖,,(e)XRD譜圖特征峰放大圖,(f)LMO,,(g)LMOS和(h)LMOSG樣品的拉曼光譜,,(i)Mn 3s XPS光譜,(j)Ni 2p XPS光譜,,(k)O 1s XPS光譜,,(l)三個(gè)樣品的電阻率-壓力圖
圖3提供了對(duì)LMO(Li1.2Mn0.6Ni0.2O2)、LMOS(尖晶石Li4Mn5O12包覆樣品)和LMOSG(尖晶石/石墨烯雙層包覆樣品)樣品的形貌和結(jié)構(gòu)表征,。通過(guò)SEM圖像(圖3a-c),,我們觀察到三個(gè)樣品的顆粒大小均在200到300納米之間,且顆粒形態(tài)在經(jīng)過(guò)IEDC界面工程處理后沒有顯著變化,。XRD分析(圖3d)顯示,,所有樣品的主要衍射峰與富鋰錳基層狀氧化物的特征峰對(duì)應(yīng)。LMOSG樣品中額外的弱衍射峰被確認(rèn)為石墨烯的特征峰,,而Li4Mn5O12相的存在則通過(guò)XRD圖譜中的突起肩峰所證實(shí),。拉曼光譜(圖3f-h)進(jìn)一步揭示了樣品的局部結(jié)構(gòu),其中LMOSG樣品顯示了由于石墨烯組分的引入而增加的尖晶石含量,。XPS光譜(圖3i-k)分析了樣品表面的化學(xué)狀態(tài),,Mn 3s峰的變化表明LMOSG樣品中Mn的平均氧化態(tài)升高,確認(rèn)了尖晶石相的形成,。電阻率-壓力圖(圖3l)顯示,,LMOSG在不同壓力下具有最低的電阻率,表明IEDC界面工程顯著提高了電導(dǎo)率,。這些測(cè)試結(jié)果共同證實(shí)了IEDC界面的成功構(gòu)建及其對(duì)提升材料電化學(xué)性能的有利影響,。
【本文亮點(diǎn)三】
顯著提高了富鋰錳基正極材料的電化學(xué)性能,包括初始庫(kù)侖效率,、放電比容量以及循環(huán)穩(wěn)定性,。
圖4. (a)首次充放電曲線(0.1 C倍率,電壓范圍2.0至4.8 V之間),,(b)2.0至4.6 V之間的倍率性能,,(c)循環(huán)性能(1 C倍率,電壓范圍2.0至4.6 V之間),,(d)循環(huán)性能(5 C倍率,,電壓范圍在2.0至4.6 V之間),,相應(yīng)的1 C充放電曲線為(e)LMO正極,(f)LMOS正極和(g)LMOSG正極,,相應(yīng)的放電dQ/dV圖為(h)LMO正極,,(i)LMOS正極和(j)LMOSG正極
圖4綜合展示了LMO、LMOS和LMOSG正極的電化學(xué)性能,,包括首次充放電曲線,、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。首次充放電曲線(圖4a)顯示,,LMOSG正極在0.1 C倍率下展現(xiàn)出296.7 mAh g-1的高放電比容量,,以及82.9%的高初始庫(kù)侖效率,優(yōu)于LMO和LMOS正極,。倍率性能測(cè)試(圖4)表明,,LMOSG正極在0.1 C至5 C的不同電流密度下均表現(xiàn)出較高的放電容量,尤其在5 C高倍率下仍保持176.5 mAh g-1的可逆容量,,而LMO正極的容量?jī)H為151.8 mAh g-1。循環(huán)性能測(cè)試(圖4c和d)進(jìn)一步證實(shí)了LMOSG正極的優(yōu)越性,,無(wú)論是在1 C還是5 C的測(cè)試條件下,,LMOSG正極均展現(xiàn)出更好的容量保持率和更低的電壓衰減。這些結(jié)果表明,,IEDC界面工程顯著提升了正極材料的電化學(xué)性能,,包括提高了比容量、庫(kù)侖效率,、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,,這主要?dú)w功于石墨烯和尖晶石Li4Mn5O12異質(zhì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng),它們共同優(yōu)化了電子/離子傳輸路徑,,降低了界面阻抗,,并提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
04 總結(jié)與展望
在本研究中,,將一種簡(jiǎn)單的IEDC界面工程技術(shù)應(yīng)用于LMO顆粒,,在LMO顆粒表面創(chuàng)建了由導(dǎo)電Gr框架和自發(fā)形成的離子導(dǎo)電性尖晶石Li4Mn5O12異質(zhì)外延層組成的多層界面。通過(guò)全面的測(cè)試驗(yàn)證,,這種雙導(dǎo)電表面具有減少極化,、保持晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和促進(jìn)電子/離子快速擴(kuò)散的能力。DFT計(jì)算顯示,,與原始LMO材料相比,,Gr/ Li4Mn5O12(010)界面的電子導(dǎo)電性有所提高,這是由于電子帶隙明顯降低,。進(jìn)一步的理論研究揭示了一個(gè)高度互聯(lián)的3D Li+滲透網(wǎng)絡(luò),,并降低了層狀尖晶石界面異質(zhì)結(jié)構(gòu)中Li+的遷移能,。晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試和電化學(xué)分析表明,創(chuàng)新的多層結(jié)構(gòu)限制了晶格氧的釋放和TM的遷移/溶解,,同時(shí)增強(qiáng)了離子電導(dǎo)率,,從而提高了電化學(xué)性能。這種有效而詳細(xì)的表面重建方法有望為下一代電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的多功能界面的發(fā)展做出貢獻(xiàn),。
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