納米晶體張大鋰離子存儲空間提升電池性能技術研究

鋰電池的高容量和高倍率性能取決于正極新材料的開發和結構的改進。納米晶體受益于其較短的鋰離子擴散路徑，加強了LiMPO-4-（M=Fe,Mn,Co）的動力學特性。

然而，與塊狀材料相比，LiMPO-4-納米晶體在電池中的使用也有許多不利之處。比如說，晶體表面的不完整性會使界面處的鋰離子具有更低的束縛能，從而導致充放電電壓的降低和容量的損失；同時，大的比表面積會萌生更多的活性位點，過渡金屬陽離子溶解問題會變得更加分明，這也是影響鋰離子電池充放電穩定性的主要因素。其次，納米化帶來的振實密度和能量密度的降低更是工業加工中不容忽視的問題。

【成果簡介】

近日，來自北京大學深圳研究生院的潘鋒教授在著名期刊NanoLetters上發表題為”ExcessLi-IonStorageonReconstructedSurfacesofNanocrystalsToBoostBatteryPerformance”的文章。該文章報道了一種表面重構辦法，以此減小LFP納米晶體的缺陷，從而提高了鋰電池的容量和倍率性能。通過神奇的表面重構，LFP納米晶體體現出具有尺寸效應的超容量性能。均勻粒徑為83nm和42nm的LFP可以表現出186和207mAhg-1的比容量(分別超出了170mAhg-1理論值的9.4%和21.8%)。而且，基于LFP納米晶體的復合物電極展示了良好循環穩定性和高倍率特性，10C電流密度下1000次循環容量損失惟有0.3-1.1%，在50C倍率下電極依然能表現出114mAhg-1/127mAhg-1的充/放電容量。試驗和理論計算揭示了額外的容量來源于通過C-O-Fe鍵重構LFP表面的額外鋰離子存儲，該鍵可以通過補償表面Fe的破缺對稱來獲得在重構表面上的兩種額外鋰離子存儲位點，以此加強表面鋰的束縛能。該超容量現象在LiFe1-xMnxPO4(0≤x≤1)和LiFe1-xCoxPO4(0≤x≤1)材料中均有發現。

【圖文導讀】

圖一：兩種LFP復合物的性能和結構表征

(a-b)LFP復合物((N=Normal,E=Excess)的充放電曲線；

(c)不同LFP復合物的倍率性能；

(d)LFP樣品中C1s的XPS圖；

(e)兩種脫鋰后42-nmLFP電極的XAS圖譜和擬合曲線；

(f)充電的LFP-N和LFP-E結構中Fe原子的巴德電荷。

圖二：充放電時LFP的結構演變圖

(a-b)鋰與電子轉換和額外鋰原子在LFP-N和LFP-E結構中的的插入位點；

(c-d)42nmLFP-E納米粒子充放電后的透射電鏡圖片。

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