注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
随着新能源电动汽车以及大规模储能的快速发展，对高性能和低成本锂离子电池的需求促使人们为新型电极材料的开发进行了广泛的研究。特别关注的是正极材料，相较于负极材料，其实际比容量低而成本更高。同时满足高性能、低成本的正极材料是电极材料研究中一个充满挑战的问题。常用的钴基或镍基正极受资源相对有限和安全问题的困扰，极大地限制了它们的大规模应用，尤其是在电动汽车和大规模储能方面。全锰基正极是富有前景的替代方案，但仍面临容量低和（或）循环稳定性差等问题。近日，北京大学的夏定国（点击查看介绍）和武汉大学的艾新平（点击查看介绍）课题组合作，通过将Mn层层内Li/Mn无序化，开发了一种具有R
m对称性的新型Li–Mn–O富锂正极材料。
由于其特殊的原子排列和比C2/m更高的Rm对称性，调节了氧的氧化还原活性；在热力学上，优先提取晶体结构中Li层中的Li而不是Mn层中的Li；此外，在高电位下，Mn层中仍保留了部分Li，这稳定了材料的结构框架。该材料还具有高度的长程和局域结构可逆性；Mn3+离子的Jahn-Teller畸变也得到有效缓减；较低的带隙以及更快的2D锂离子通道也大大提高了材料的倍率性能。
在2.0-4.8V的电压窗口下，以25 mA g-1进行充放电，可释放300 mAh g-1以上的可逆比容量；在250 mA g-1的电流密度下，仍可提供高达260 mAh g-1的放电比容量。这是目前相同电压窗口下，全锰基正极材料能释放的最高比容量。这种材料不仅是有前景的正极材料候选者，而且为设计低成本和高性能正极材料带来了新的可能性。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是北京大学博士研究生宋进。
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A High‐Performance Li-Mn-O Li‐rich Cathode Material with Rhombohedral Symmetry via Intralayer Li/Mn Disordering
Jin Song, Biao Li, Yuyang Chen, Yuxuan Zuo, Fanghua Ning, Huaifang Shang, Guang Feng, Na Liu, Chongheng Shen, Xinping Ai, Dingguo Xia
Adv. Mater., 2020, 32, 2000190, DOI: 10.1002/adma.202000190
夏定国博士简介
夏定国，北京大学工学院能源与资源工程系&材料科学与工程系教授，教育部长江学者特聘教授(2011-2015)，先进电池材料理论与技术北京市重点实验室主任。研究领域：1）锂插入化合物2）低铂及非铂催化剂3）材料模拟计算
从事材料学的教学及科学研究工作。先后主讲了本科生、硕士生、博士生课程等10门。承担或完成了包括国家重大研究计划、国家自然科学基金重点课题及北京市自然科学基金重点课题。
https://www.x-mol.com/university/faculty/61404
艾新平博士简介
艾新平，在武汉大学化学学院分别获得学士（1990年）、硕士（1992年）和博士学位（1995年）；1995年留校任教，1998年晋升为副教授，2005年晋升为教授。现任湖北省化学电源材料与技术重点实验室主任；兼任国家新能源汽车专项指南专家和总体组动力电池责任专家。
主要研究领域包括锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池，以及电池安全性技术，具体研究方向包括：高容量硅基储锂负极，储钠电极材料，高容量硫电极，电池反应控制技术。
https://www.x-mol.com/university/faculty/13577
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：自20世纪90年代LiCoO2作为锂离子电池正极材料商业化以来，锂离子电池因其相对较高的电化学性能、良好的倍率性能和有效的循环稳定性而备受关注，不仅引导了消费电子设备的进步方向，而且促进了可再生能源的可控利用。随着电动汽车的出现以及大规模储能技术的迅速发展，市场需求更高能量密度、低成本锂离子电池。由于正极材料相对较高的成本及低的比容量，因此研发新型锂离子电池高容量低成本正极材料是其中的关键。在传统的锂离子电池正极材料中，LiFePO4和LiMn2O4材料理论容量较低；理论容量超过270mAh•g-1的钴基和镍基层状氧化物正极材料具有高的比容量，但存在钴、镍金属的成本、资源及高脱锂态引起的安全问题。由此激发我们进一步研究无钴和低镍的高容量正极材料。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：本项研究中最大的挑战在于：1）发现材料电化学性能和结构对称性的潜在关系，从而设想可以通过Mn层层内无序，实现具有Rm对称性的全锰基富锂正极材料；2）对于Li2MnO3，Li/Mn在Mn层有序排列才是热力学上稳定的状态，如何合成介稳态的Mn层层内Li/Mn无序是另一关键问题。得益于实验室前期工作的经验，可先合成Na-Li-Mn-O前驱体，而Na盐前驱体相对容易获得各种相态的构型，再通过低温Li/Na交换，实现介稳态Mn层层内Li/Mn无序Li-Mn-O富锂正极材料的合成。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：近几年来，新能源电动汽车以及大规模储能在相关政策的支持下，得到快速发展。该全锰基富锂正极材料同时具有高性能和低成本的优点，是一种很有前景的正极材料候选者，新能源汽车以及电池研究相关企业可在此项研究中得到受益。
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