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锂电池的充电-充电周期加倍

电动汽车的推广极大地增加了对锂离子电池的需求。但是，作为电池主要阴极材料的钴和镍并不丰富。如果继续消耗，从长远来看将不可避免地增加成本，因此科学家一直在积极开发替代材料由香港城市大学的科学家牵头的联合研究小组开发了一种更加稳定的锰基正极材料。

与现有的钴和镍阴极材料相比，这种新材料具有更高的容量，并且更耐用-即使充电/充电循环次数增加一倍，也可以保留90％的容量。他们的发现为开发低成本，高效率的锂离子电池锰基正极材料提供了启示。

研究团队由城大物理系助理教授刘琦博士，南京科技大学和中国科学院物理研究所共同领导。他们的发现发表在科学期刊《自然可持续性》上，标题为“通过界面轨道有序稳定的LiMnO 2 阴极，以实现可持续的锂离子电池”。

锰基正极材料的技术瓶颈：低容量保持率

锂离子电池现在广泛用于手机和电动汽车。大多数阴极材料包含钴和镍，它们既不丰富，又在开采过程中对环境造成污染。因此，科学家正在寻找替代的阴极材料，例如锰。

在领先的锰基候选材料中，LiMnO 2具有成本效益，更环保，理论容量更大的优点。然而，它在充电-充电周期中具有较差的稳定性。

可能会发生晶粒破裂，快速的结构退化和锰的严重溶解。循环时导致严重的容量衰减，因此缩短了其耐用性，从而阻碍了LiMnO 2在商业化锂离子电池中的应用。

图b显示了材料的Jahn-Teller变形。图c和d显示异质结构使界面轨道有序化，从而抑制了Jahn-Teller畸变。

锂离子电池正极材料的开发专家刘博士指出，锰基材料的结构不稳定性主要是由原子结构中的Jahn-Teller变形引起的。放电时，LiMnO 2中的Mn-O键将被拉长，这称为Jahn-Teller畸变。由于Mn 3+离子的电子轨道有一个大范围的共线轨道顺序，而没有扰动，因此产生了强的合作Jahn-Teller畸变。它们的原子结构很容易变形。

Liu博士和他的团队通过在原子结构中应用界面工程解决了这一问题，这干扰了远程共线轨道的有序性并抑制了大范围的Jahn-Teller畸变。

界面工程提高了结构稳定性

该团队通过从尖晶石Mn 3 O 4纳米壁阵列进行原位电化学转化制备了尖晶石层的LiMnO 2。发现在尖晶石和层状边界之间电子轨道几乎彼此垂直取向，导致界面轨道有序。刘博士解释说：“这引起了远程共线轨道顺序的干扰，因此抑制了Jahn-Teller畸变。”

他们的实验结果表明，这种异质结构设计有效地抑制了Jahn-Teller畸变。层状和尖晶石相的畸变程度分别仅为2.5％和5.5％，而层状LiMnO 2和尖晶石LiMnO 2的畸变程度分别为18％和16％。这意味着异质结构化的LiMnO 2表现出更高的结构稳定性。

研究小组还发现，尖晶石和层状相之间的体积变化相互抵消，从而使材料的总体积变化最小。结果，该材料表现出优异的结构稳定性。

此图显示了在尖晶石层界面中发现的界面轨道有序。信用：自然可持续性

循环寿命长

“目前在智能手机等电子产品中使用的LiCoO 2正极材料的容量约为165mAh / g，而我们的LiMnO 2 正极材料已经达到了254.3 mAh g-1的容量，这要高得多，” Dr。刘阐述。他补充说：“即使在1,000次循环中，商用LiCoO 2仍难以保持90％的容量。我们的材料在2,000次循环后已实现90.4％的高容量保持率，这表明使用寿命长。”他补充说。

他们是第一个采用界面轨道排序抑制Jahn-Teller畸变的团队。这种新颖的方法促进了可持续富锰阴极材料的开发，希望将其应用于可持续和商业化的储能设备中。刘博士总结说：“我们期待降低储能技术的成本，这可以促进能源结构朝着可持续发展的方向发展。我们的材料有可能替代目前商业化的钴材料，用于电子和电动汽车等应用。”

IOPCAS的研究员Liu博士，Gu Lin博士和NUST的Xia Hui教授是本文的相应作者。共同第一作者是来自中国科学院的博士后朱小慧，来自国际孔子科学研究院的孟凡奇博士和张庆华博士。其他团队成员包括城大PHY博士后研究员Zhu He博士，以及来自NUST，中山大学和美国阿贡国家实验室的合作研究人员。

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