盖世汽车讯 电动汽车、可再生能源存储和便携式电子设备对高性能锂离子电池的需求日益增长，凸显了当前正极材料技术的局限性。传统材料，例如锂钴氧化物（LiCoO₂）和富镍氧化物，虽然容量较高，但在成本、可持续性和安全性方面存在问题。

图片来源：期刊《eScience》

锰基氧化物储量丰富且热稳定性好，但通常面临循环性能差和不可逆结构变化等挑战。氧氧化还原化学为提升容量提供了途径，却常因氧气释放和相变而受限。鉴于这些问题，研究人员需要探索无钴、结构稳定的正极材料，以最大限度地提高能量密度和耐久性。

据外媒报道，韩国世宗大学（Sejong University）的研究团队及其国际合作者在期刊《eScience》上发表的论文中报道了一种新型锂过量正极材料Li₀.₇₅[Li₀.₁₅Ni₀.₁₅Mn₀.₇]O₂。该研究展示了这种通过离子交换法合成的O2型层状氧化物如何克服氧氧化还原不稳定的常见挑战。

这种新型材料不仅实现了卓越的能量密度，而且在长时间循环过程中仍能保持结构完整性。这项创新为锂离子电池指明了可持续的无钴方向，并为平衡高性能与长期可靠性提供了新的见解。

新开发的正极材料具有独特的O2型层状骨架，过渡金属元素呈蜂窝状有序排列。研究人员利用中子衍射、X射线技术和先进的模拟技术，证实了其结构稳定性和电化学机理。钠基前驱体的离子交换过程产生了高度有序的排列，进而实现了锂的高效扩散与氧的可逆氧化还原。

电化学测试表明，该正极材料的放电容量为284 mAh g⁻¹，能量密度为956 Wh kg⁻¹，超越了众多当前最先进的正极材料。倍率性能测试表明，即使在高电流下，该正极材料也具有稳定的性能，而采用石墨负极的全电池实验在500次循环后仍保持了70%的容量保持率。原位X射线衍射（Operando XRD）和X射线吸收近边结构（XANES）证实了可逆氧氧化还原，没有明显的氧损失或不可逆相变，这与早期富锂正极材料易快速降解的特点形成鲜明对比。

理论模型进一步验证了层状结构内的锂迁移能够以可逆的方式激活氧的氧化还原，从而抑制结构坍塌。总而言之，这些发现为开发兼具高能量密度和长循环寿命的安全无钴正极材料提供了一条可行的途径。

该论文的资深作者Seung-Taek Myung说道：“我们的研究表明，锰基无钴层状氧化物可以同时提供高容量和稳定性。通过精心设计O2型结构，我们稳定了氧的氧化还原机制，避免了不可逆氧释放的陷阱。这不仅提高了安全性，也确保了长期性能。这些见解为开发兼具成本效益和环境可持续性的下一代正极材料提供了蓝图，有助于减少对稀缺且昂贵的钴元素的依赖。”

这种锰基无钴锂过剩正极的成功对储能技术具有广泛的意义。它兼具高能量密度、长期循环稳定性和更高的热安全性，尤其适用于电动汽车、电网级储能和先进的便携式电子设备。通过消除钴元素，该材料还解决了可持续性问题，并减少了对关键原材料的依赖。

除了直接应用外，该研究还提供了阳离子和阴离子氧化还原过程的机理见解，为未来的正极工程提供了指导。这项研究代表着我们朝着更安全、更环保、更强大的锂离子电池迈出了重要一步，而这对于清洁能源转型至关重要。