原创：陈永胜教授团队

背景介绍

碳中和社会的实现迫切需要开发高能量密度的锂离子电池来满足日益增长的商业应用需求。因此，具有超过250 mAh g^-1的高可逆容量和3.5 V平均放电电压的高能量密度层状富锂材料（LLO）引起了极大的关注。LLO超高的能量密度源于其高压下独特的氧负离子氧化还原的贡献。然而，氧原子被氧化成氧气后很容易从材料中释放出来，导致材料的结构衰变、表面粗糙化、过渡金属溶出以及相关电化学性能的衰减。此外，LLO中独特的单斜富锂相锂离子扩散能力较差，导致 LLO 的扩散动力学和倍率性能较差。这些严重阻碍了 LLO 的实际应用。因此，开发一种低成本、简单、通用的方法来提高富锂材料的倍率与循环性能对于新一代高能量密度锂离子电池的发展至关重要。

成果简介

近日，南开大学陈永胜教授团队通过一种简单、可大规模制备的方法，开发了一种由聚磷酸锂 (LiPP) 锂离子导体及其诱导的尖晶石相构筑的双层结构用于提高无钴富锂正极材料 LMNO的性能（得到的改性后材料为LMNO@S-LiPP )。这种纳米级的双层结构有效地提高了锂离子扩散速率，抑制了氧气释放，减少了界面副反应，从而抑制了结构衰变，减少了过渡金属溶出、减轻了充放电过程中的电压衰减，从而赋予了 LMNO@S-LiPP 正极优异的电化学性能。 LMNO@S-LiPP 半电池在1 A·g^-1的大电流密度下具有202.5 mAh·g^-1的高容量，300次循环后具有85.3%的高容量保持率。此外，LMNO@S-LiPP||石墨全电池的能量密度高达620.9 Wh·kg^-1。同时，该策略具有良好的普适性，可用于提高其他层状氧化物材料（如钴酸锂、NCM811等材料）的电化学性能。

图文导读

图1. 聚磷酸锂诱导的双层结构在无钴富锂材料表面的原位制备过程。

图2. LMNO和LMNO@S-LiPP半电池的电化学性能。(a) 0.1 C首圈容量-电压曲线。(b) 不同电流密度下的倍率性能。(c) 1 C循环过程中的平均放电电压。(d)1 C和 (e) 5 C电流密度下的循环性能。

图3. 本文中的正极材料在改性前后(a) 0.1 C和(b)5 C下的放电容量。(c) 正极材料在1 C下循环150圈后的放电容量及容量保持率（由星型标记表示）（NCM811循环的电流密度为0.5 C）。(d) 本文中的层状正极材料在改性前后的电化学性能总结。

作者简介

第一作者：博士生赵瑞琪

陈永胜教授，博士生导师，长期从事碳纳米材料、有机功能材料及其在能源转化与存储等方面的研究。已在Science, Nature, Nature Photon., Nature Electron., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等期刊上发表论文400余篇，总引用超70,000 次，H因子119（2022年） 2014-2022年连续入选科睿唯安高被引科学家。2018年获国家自然科学二等奖。

课题组网站链接：https://nanocenter.nankai.edu.cn。

文章信息

Zhao R, Wu M, Jiao P, et al. A double-layer covered architecture with spinel phase induced by LiPP for Co-free Li-rich cathode with high-rate performance and long lifespan. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5333-z.