研究人员开发新型LMR阴极 可减少锂离子电池电压衰减

目前，锂离子电池广泛应用于电动汽车等设备。据外媒报道，由香港城市大学（City University of Hong Kong）、美国西北大学（Northwestern University）和美国其他机构的研究人员组成的团队开发出新的阴极，可以解决现有阴极存在的固有问题，从而增加锂电池的容量。

研究人员之一Qi Liu表示：“此次研究的重点是一种特定类型的富锂和富锰（LMR）层状阴极材料。比起目前的商用阴极，这种材料有潜力存储更多的能量。”

众所周知，LMR层状阴极容易受到“电压衰减”（voltage decay）现象的影响，从而使电池出现快速退化和电压损失。这极大地限制了锂电池的性能。以前，研究人员尝试通过涂覆阴极材料或加入新元素来稳定结构，然而并没有解决问题。近年来，一类具有独特O2堆叠结构的LMR材料受到关注。比起传统的O3型LMR，这些材料表现出较低的电压损失。另外，受益于独特的O2堆叠，研究人员还可以对固有不稳定蜂窝晶格的局部结构进行微调。

Liu教授等人尝试构建一种新的基于O2型的LMR阴极，以稳定LMR材料特有的蜂窝状结构。Liu表示：“研究人员将过渡金属（TM）离子引入蜂窝结构上方或下方的锂层中。这样做的目的是大幅增强蜂窝结构的稳定性，有效缓解循环过程中的电压衰减问题，从而促进LMR正极材料在高能量密度锂离子电池中的实际应用。”

为了制造具有TM刺穿蜂窝（TM-pinned honeycomb）的LMR材料，研究人员利用离子交换技术（即有效去除或溶解离子的系统），将P2型Na 0.6 Li 0.2（Mn 0.6 - x Ni x ）O2材料转变成其所需的O2型LMR阴极。Liu教授表示：“这种材料的独特之处在于，使TM离子位于蜂窝状结构的上方或下方，以充当盖子来稳定易碎框架。与传统阴极相比，这种LMR阴极的优点在于，在电池使用过程中，可以大幅降低电压衰减。”

初始评估显示，这种富锂阴极表现良好，可以延长锂离子电池的寿命，并提高其性能。这意味着电动汽车可能存储更多的能量，从而延长单次充电续航里程。Liu教授表示：“长期以来，LMR阴极材料的实际应用备受争议。这项研究成功解决了LMR中长期存在的电压衰减问题。结果显示，在阴极材料中加入额外的TM，可以稳定蜂窝结构，使每个循环周期的电压衰减仅达到0.02 mV，可以忽略不计。”

未来，这一发现将有助于改进LMR阴极或者启发其他类似设计。Liu教授表示：“目前的工作成功解决了LMR电压衰减的问题。未来的目标是解决另一个关键问题——LMR电压滞后。电压滞后是指电池充、放电循环期间电压曲线的差异。以前，人们普遍认为电压滞后是由于蜂窝上部结构的不稳定性造成的。然而，即使是采取这项研究中提出的‘帽‘结构，电压滞后现象也没有得到缓解。”

接下来，研究人员计划深入探索LMR阴极电压滞后的机制，从而完善阴极设计。Liu教授表示：“下一目标是解决电压滞后问题，并进一步提高阴极材料的能量密度。研究人员还将寻找解决方案，以扩大材料制造工艺，用于大规模电池生产。”