【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】　隨著新能源汽車和儲能市場需求的持續(xù)增長，突破鋰離子電池能量密度瓶頸已成為產(chǎn)業(yè)與學(xué)術(shù)領(lǐng)域的核心攻關(guān)方向。富鋰錳基層狀氧化物依托陰離子氧氧化還原反應(yīng)可實現(xiàn)遠超傳統(tǒng)三元材料的比容量，且錳基體系具備資源儲量豐富、成本低廉的顯著優(yōu)勢，被視作下一代高能量密度正極材料的核心候選，引發(fā)了產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而，嚴(yán)重的電壓滯后現(xiàn)象始終是制約該類材料商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵難題：首周循環(huán)后工作電壓出現(xiàn)顯著不可逆衰減，導(dǎo)致電池能量轉(zhuǎn)換效率低于80%，且長期循環(huán)中電壓持續(xù)跌落，嚴(yán)重影響電池的使用壽命與系統(tǒng)管理。長期以來，學(xué)界普遍將電壓滯后歸因于過渡金屬遷移引發(fā)的Li@Mn6超結(jié)構(gòu)破壞，但部分無明顯不可逆陽離子遷移的陰離子氧化還原體系仍存在顯著電壓滯后，且熱驅(qū)動電壓恢復(fù)過程中的精細(xì)結(jié)構(gòu)演變機制始終未能得到清晰闡釋，現(xiàn)有改性策略難以實現(xiàn)根本性突破。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊長期深耕富鋰錳基材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與失效機制研究，基于自主發(fā)展的材料基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，由兩相共存引發(fā)的晶格應(yīng)變是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化的根本原因，通過引入彈性晶格設(shè)計構(gòu)建出可實現(xiàn)超高可逆容量的錳基材料，通過納米尺度的相復(fù)合工程、合成動力學(xué)調(diào)控等手段持續(xù)提升富鋰錳基材料的循環(huán)穩(wěn)定性，并基于Pauling規(guī)則設(shè)計出具有有序–無序共格結(jié)構(gòu)的新型富鋰錳基正極材料。系列成果發(fā)表于《自然》(Nature, 2022, 606, 305)、《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy Environ. Sci., 2024, 17, 3807)、《先進材料》(Advanced Materials, 2024, 2403307，2024，DOI: 10.1002/adma.202418580，2022，DOI: 10.1002/adma.202202745)等國際期刊，為低成本、高能量密度鋰離子電池正極材料的設(shè)計與發(fā)展提供了重要的理論指導(dǎo)和實踐基礎(chǔ)。
 

　　近日，潘鋒團隊聯(lián)合香港城市大學(xué)劉奇教授、香港中文大學(xué)(深圳)張明建研究員和南方科技大學(xué)王軍教授等團隊，基于材料基因組學(xué)研究思路，結(jié)合原子分辨球差掃描透射電子顯微鏡、變溫X射線衍射、同步輻射軟硬X射線吸收譜及從頭算分子動力學(xué)模擬等多尺度表征手段，系統(tǒng)解析了電壓滯后的起源是在充電電壓的驅(qū)動下富鋰氧化物結(jié)構(gòu)從熱力學(xué)穩(wěn)定相重構(gòu)成為亞穩(wěn)相，其關(guān)鍵儲能基元過渡金屬八面體(TMO6)結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變(Mn-O鍵長拉長和鍵角畸化加重)和Li@Mn6超結(jié)構(gòu)的Mn發(fā)生遷移。通過對該亞穩(wěn)相進行加熱研究發(fā)現(xiàn)其電壓恢復(fù)過程(本質(zhì)是從亞穩(wěn)相到穩(wěn)定相的結(jié)構(gòu)演化過程)：其一，在200℃以下的低溫區(qū)加熱，發(fā)現(xiàn)了反常的溫度升高體積縮小的負(fù)熱膨脹現(xiàn)象，可實現(xiàn)0.26V的顯著從亞穩(wěn)相到穩(wěn)定相的電壓回升，該過程不伴隨過渡金屬離子的回遷與Li@Mn6超結(jié)構(gòu)的恢復(fù)；其二，當(dāng)在300℃溫度區(qū)間內(nèi)加熱和鋰空位的輔助下過渡金屬Mn離子發(fā)生回遷，恢復(fù)了Li@Mn6超結(jié)構(gòu)單元，可進一步實現(xiàn)0.16V電壓提升，恢復(fù)到初始的電化學(xué)平臺。
 

　　該研究首次從原子尺度厘清了富鋰正極電壓滯后的雙重結(jié)構(gòu)起源，揭示了陰離子氧化還原體系中晶格結(jié)構(gòu)演化與電化學(xué)行為的構(gòu)效關(guān)系，為解決富鋰材料電壓衰減難題、開發(fā)兼具高能量密度與高能量效率的陰離子氧化還原正極材料提供了全新的研究路徑。相關(guān)研究以“Deciphering Metastable Structure Evolution in Voltage Hysteresis of Lithium-Rich Cathodes”為題，發(fā)表于國際期刊《美國化學(xué)會·納米》(ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5c20611)。
 

　　該工作的共同第一作者為北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院博士研究生薛浩宇，潘鋒、王軍、劉奇、張明建為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、深圳市材料基因組大科學(xué)裝置平臺重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目、電動汽車動力電池與材料國際聯(lián)合研究中心、廣東省新能源材料設(shè)計與計算重點實驗室、深圳市新能源材料基因組制備和檢測重點實驗室的支持。
 

　　引用：深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒團隊揭示鋰電池富鋰錳基正極材料電壓滯后與結(jié)構(gòu)演化的機理-北京大學(xué)【引用時間：2026年8月18日】