目前，锂离子电池的能量密度主要受限于正极，亟需开发高比能正极材料。富锂锰基层状氧化物正极材料因具有电压和容量高、廉价、环境友好等优点而备受瞩目。然而，富锂锰基层状氧化物在充放电循环过程中存在首圈库仑效率低、倍率性能差以及容量/电压衰减等问题，限制其电池应用。
近日，南开大学化学学院程方益课题组在Small Methods上报道了一种异质结构尖晶石/层状富锂氧化物纳米纤维作为性能优异的锂离子电池正极材料。采用静电纺丝与固相锂化结合制备异质一维纳米纤维，有利于锂离子快速传输，在层状富锂氧化物表面外延生长的尖晶石组分不仅能维持结构稳定性，而且提供了三维离子扩散通道，从而提升材料倍率性能。制备的元素组成为Li1.15Ni0.20Mn0.87O2的异质结构纳米纤维首圈库伦效率接近100%，5C可逆放电比容量150 mAh/g，0.2C循环70周比容量仍高达258 mAh/g，性能显著优于不含尖晶石相的富锂层状材料。通过原位XRD分析、原位Raman光谱以及第一性原理计算等手段，揭示了异质结构中尖晶石组分能够保持脱锂态氧空位有效利用、缓解充放电过程中晶胞体积变化、抑制晶格氧原子被过度氧化造成的不可逆析氧，进而稳定层状富锂锰基氧化物。研究结果将有助于理解和设计高比能层状/尖晶石复合正极材料。相关研究论文以“Spinel/Lithium-Rich Manganese Oxide Hybrid Nanofibers as Cathode Materials for Rechargeable Lithium-Ion Batteries”为题在线发表在Small Methods上。
