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高比容量锂离子电池正极材料稳定性机制探究

Studyonthestabilityofthelithiumrichcathodesinlithiumionbatteries

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高比容量锂离子电池正极材料稳定性机制探究

中文摘要：传统的层状锂离子电池正极材料，如钴酸锂（LiCoO2）、镍钴酸锂（LiNixCo1-xO2）和三元材料（LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2）等，其充放电比容量均偏低（200mAh/g），不能满足电动汽车市场的需求。富锂锰基层状正极材料却能贡献超过250mAh/g的比容量，被认为是下一代最具希望的动力电池正极材料，但是一些缺陷如电压衰退和容量衰减抑制了其实际应用，因此寻找可替代的高比容量正极材料迫在眉睫。而其中的关键问题在于探索为何富锂材料能够贡献这么高的容量还能保持很好的结构稳定性，而具有相似结构和相似理论比容量的传统层状正极材料却不能。在这个工作里面，我们以典型的富锂材料Li2RuO3作为模型体系，通过一系列原位的探测手段揭示了其在充放电过程中的几何结构和电子结构的变化，并结合DFT第一性原理计算，我们发现富锂材料中过量的锂离子在过渡金属层中的存在提高了结构的柔性，有利于氧原子在参与电荷补偿的过程中形成类过氧根离子，并使局域结构发生柔性扭曲，释放体系的能量，从而稳定结构。这一发现有助于开辟下一步高比容量正极材料的设计和改性的方向，对于推动锂离子电池的技术的发展具有很大贡献。

关键词：锂离子电池；正极；高比容量；稳定性；柔性结构

StudyontheStabilityofLithiumRichCathodesinLithiumIonBatteries

BiaoLi,DingguoXia*

(DepartmentofEnergyandResourcesEngineering,CollegeofEngineering,PekingUniversity)

Abstract:Lithium-richlayeredoxidesareconsideredaspromisingcathodematerialsforLi-ionbatterieswithhighenergydensityduetotheirhighercapacityascomparedwiththeconventionalLiMO2(e.g.,LiCoO2,LiNiO2,andLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)layeredoxides.However,whylithium-richlayeredoxidesexhibithighcapacitieswithoutundergoingastructuralcollapseforacertainnumberofcycleshasattractedlimitedattention.Here,basedonthemodelofLi2RuO3,itisuncoveredthatthemechanismresponsibleforthestructuralintegrityshownbylithium-richlayeredoxidesisrealizedbytheflexiblelocalstructureduetothepresenceoflithiumatomsinthetransitionmetallayer,whichfavorstheformationofO22?-likespecies,withtheaidofinsituextendedX-rayabsorptionfinestructure(EXAFS),insituenergylossspectroscopy(EELS),anddensityfunctionaltheory(DFT)calculation.Thisfindingwillopennewscopeforthedevelopmentofhigh-capacitylayeredelectrodes.

Keywords:Li-ionbatteries;cathode;high-capacity;stability;flexiblestructure

目录

1研究背景 1

2、结果与讨论 2