作為鋰離子電池最有前景的正極材料之一，富鋰層狀氧化物存在庫侖效率低、容量衰減嚴重和電壓衰減等問題，這與聚合的Li@Mn₆超結(jié)構(gòu)單元有關。因此，Li@ Mn₆超結(jié)構(gòu)單元的改性已成為提高富鋰正極電化學性能的有效方法。

在此，北京大學新材料學院潘鋒教授、張明建副研究員以及南方科技大學謝琳副教授、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所任國璽等人通過Al取代Co成功設計了一種無鈷富鋰層狀氧化物—Li[Li_1/4Mn_1/2Ni_1/6Al_1/12]O₂。

將平均結(jié)構(gòu)優(yōu)化與詳細的局部結(jié)構(gòu)/化學分析相結(jié)合，作者發(fā)現(xiàn)引入的Al離子占據(jù)了Li@Mn₆超結(jié)構(gòu)單元中的Mn位點，這進一步誘導了Li@Mn₆單元的中心鋰離子被Ni²⁺部分取代。

圖1. 通過Al取代提高電化學性能

因此，改性的超結(jié)構(gòu)單元穩(wěn)定了陰離子骨架并抑制長期循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)降解，改性后的正極實現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能（在0.1C下100次循環(huán)后容量保持率為 91.8%，1 C下500次循環(huán)后容量保持率為91.4%）。

這項工作不僅加深了對Al取代機制的理解，而且為通過改性局部功能單元來設計高性能富鋰正極提供了一條新途徑。

圖2. 改性Li@Mn₆超結(jié)構(gòu)單元提高循環(huán)穩(wěn)定性的機制示意圖

Modifying Li@Mn₆ Superstructure Units by Al Substitution to Enhance the Long-Cycle Performance of Co-Free Li-Rich Cathode, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101962