周豪慎、郭少华团队开发岩盐相富锂新材料

yaolian

南京大学现代工程与应用科学学院周豪慎教授、郭少华副教授团队报道了一种新型岩盐相富锂材料，该材料基于阳离子和阴离子共同的电荷补偿机制，较大倍率下具有极稳定的放电容量，且几乎没有电压衰减。相关工作以 A New Type of Li-Rich Rock-Salt Oxide Li 2 Ni 1/3 Ru 2/3 O 3 with Reversible Anionic Redox Chemistry 为题，于 2019 年 1 月 23 日在线发表在《先进材料》上（ [url=]Adv. Mater. 2019 , 2 01807825 [/url]）。

层状富锂材料具有更多的活性锂离子可以参与充放电过程中的脱嵌行为，相比正极材料（如钴酸锂，磷酸铁锂等）提供大于 250 mAh g -1 的比容量。其充放电过程中除了过渡金属变价机制，氧活化的机制也被陆续提出，氧的活化提供了材料大容量行为的可能。但是从另一方面，氧的活化会产生不可逆的氧缺失，进而使层状结构向尖晶石相改变。这些原因导致层状富锂材料的比容量不可逆损失，并且放电平均电位不断衰减。该课题组开发了一种新型的 Fd-3m 立方岩盐相富锂材料 Li 2 Ni 1/3 Ru 2/3 O 3 ，该材料具有稳定的结构，稳定的放电容量以及较大倍率下几乎无衰减的放电电位。该团队通过原位 X 射线衍射表征材料的结构稳定性，通过原位拉曼、原位气相质谱确认了氧活化行为，通过第一性原理计算确认材料较大倍率下稳定的可能性。

材料在 200 mA g -1 的电流密度下循环 150 圈后，容量保持率在 94% 以上。在相应的容量归一化曲线中可以看出，首圈和第 150 圈的曲线基本重合，电位基本没有衰减。这得益于岩盐相材料的稳定性。而理论计算也说明，得益于这种新型的 Fd-3m 岩盐结构，锂离子可以实现较大倍率下良好的脱嵌。拉曼光谱可以作为判定物质间共价键的指纹光谱。充电初期的拉曼光谱中，并没有产生过氧键，在充电后期，过氧键开始出现并随后发生蓝移，说明键长在变短，并在充电末期达到最短。随后在放电过程中过氧键呈现于充电过程对称的行为，并且在第二圈循环也呈现相同行为，说明过氧键的可逆性，也说明了氧可以通过可逆的变价行为带来额外的超大容量。首圈充电末期出现超氧根，但随后马上消失并且第二圈并没有出现，说明超氧根的生成和过氧键的生成并没有直接关系，也体现了过氧键这一氧行为的稳定性。该材料在容量稳定性和放电电位的稳定性上具有明显优势，在今后的大容量正极材料设计中，具有重要意义。

南京大学现代工程与应用科学学院硕士毕业生李翔为该论文第一作者， AIST 博士生乔羽为共同一作，通讯作者是周豪慎教授、郭少华副教授。 该研究得到了固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心等平台与项目的支持，同时得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金青年项目的资助。