南京大学周豪慎-南京师范大学曹鑫：新型高性能富锂锰基层状正极的结构设计与未来展望

近日，南京大学周豪慎教授和南京师范大学曹鑫副教授的AMR述评文章“Structure Design for High-Performance Li-Rich Mn-Based Layered Oxides, O2- or O3-Type Cathodes, What’s Next?”在线发表。文章总结了团队近期在O3（ABCABC）及O2（ABCB）相富锂正极材料的结构设计方面所做的工作，总结了T2型及O2/O3两相层状正极材料的研究进展，展望了目前O3及O2型富锂锰基层状正极各自面临的挑战及潜在的设计方向，希望能够为未来的研究工作提供有利的启发与指导。

关键词：层状氧化物，富锂锰基正极材料，结构设计，阴离子氧化还原反应

This diagram added reversible oxygen-related redox reactions during the Li⁺ (de)lithiation processes, which pointed out two design routes of Li-rich oxide cathodes: (1) triggering more oxygen-related capacities via boosting the Li₂MnO₃-MnO₃ direction and (2) relieving lattice oxygen release by decreasing the LiMnO₂-MnO₂ direction.

Compared to the case of the O3-type Li-rich oxide, reversible TM migration between the TM layers to Li layers can be achieved within the O2-type counterpart, further performing effective relief of voltage fading during long cycles, which harvests superior structure and cyclic stability.

In addition to traditional modification strategies such as surface coating and doping, more novel structures such as the O4/O6/T2-type etc.  ones should be developed by regulating oxygen stacking arrangements and coordination environments of AM layers to find the optimal balance between the activity and stability of the oxygen-related anionic redox reaction, further addressing these issues of Li-rich layered cathodes such as oxygen release, slow Li⁺ diffusion kinetics, low initial Coulombic efficiency, and inferior structure stability.

01 文章内容简介

由于阳离子和阴离子氧化还原反应的共同贡献，富锂锰基层状正极材料拥有着高的放电比容量，已获得了研究人员的广泛关注。但阴离子氧化还原反应的引入使得富锂材料面临着一系列挑战，例如电化学过程中伴随着有害的氧气释放，进一步加速过渡金属的不可逆迁移，导致严重的结构畸变、容量损失和电压衰减等有害影响，这些问题成为制约富锂正极材料产业化发展的巨大挑战。因此，寻找合适的策略提升富锂层状正极材料的结构及电化学稳定性十分必要。

本文主要评述了团队近期在O3（ABCABC）及O2（ABCB）相富锂正极材料的结构设计方面所做的工作。首先，基于层状O3型设计平台，通过调控过渡金属层及碱金属层中的锂含量、开发新型的Li-O-空位和Li-O-Na构型，能够有效地提升阴离子氧化还原反应的可逆性。与此同时，通过化学离子交换法制备的具有ABCB堆垛排列次序的O2型亚稳态富锂正极已被证明能够实现可逆的过渡金属迁移，最终收获优异的电压保持率。此外，本文还总结了T2型及O2/O3两相层状正极材料的研究进展，有助于设计新型高性能富锂锰基层状正极材料。最后，我们展望了目前O3及O2型富锂锰基层状正极各自面临的挑战及潜在的设计方向，希望能够为未来的研究工作提供有利的启发与指导。

02 请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

相较于传统的锂离子电池层状正极材料（如钴酸锂、高镍三元层状正极），富锂锰基层状正极材料拥有着高的放电比容量和输出电压，展现出巨大的发展优势，有望助力实现下一代高能量密度锂离子电池。因此，我们希望以富锂锰基层状正极材料为研究对象，通过进行一系列合理的结构设计及功能改性，调整阴离子氧化还原反应的可逆性和活性，实现高能量密度与高稳定性的双丰收。

03 请问您对该领域的发展有何种愿景？

作者团队：

结构设计已被证明能够有效实现层状正极材料电化学性能的优化。未来希望能够吸引更多的科学工作者投入到富锂正极材料的设计当中，结合高端表征，深入分析和探索，加快富锂材料从实验室产品走向大规模产业化的脚步。

作者团队简介

●周豪慎，南京大学储能材料和科学中心主任，南京大学现代工程与应用科学学院教授、博士生导师、教育部长江学者讲座教授。周豪慎教授长期致力于新型高比能量电池体系及关键材料的设计和创制，在氧电极反应理论构建、组合电解液电池体系创制和应用拓展等方面做出原创性的科学贡献。

●曹鑫，南京师范大学副教授，硕士生导师。2021年于日本筑波大学获得工学博士学位。主要研究方向为高能量密度锂离子电池电极材料和新型低成本钠离子电池层状正极材料。近五年以第一作者/通讯作者在Joule，Advanced Materials，Angewandte Chemie International Edition，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Energy Storage Materials，ACS Energy Letters，Science Bulletin等国际顶级刊物上发表SCI论文20余篇。

●赵晓雯，南京师范大学化学与材料科学学院硕士研究生。2022年至今于南京师范大学攻读硕士学位，导师为曹鑫副教授，目前研究方向为新型高能量密度锂离子电池正极材料。

扫码阅读周豪慎教授-曹鑫副教授团队的精彩Account文章：

Structure Design for High-Performance Li-Rich Mn-Based Layered Oxides, O2- or O3-Type Cathodes, What’s Next?

Xiaowen Zhao, Xin Cao*, and Haoshen Zhou*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00217

投稿指南目前Accounts of Materials Research的投稿主要基于编辑团队的邀请。如您有意投稿，请先按照Author Guidelines的要求准备并投递proposal， 编辑团队会对您的proposal进行评审。如果proposal被接受，我们将向您发送投稿邀请。扫码阅读作者指南，下载proposal form：