納米晶體擴大鋰離子存儲空間提升電池性能技術研究
鋰離子電池的高容量和高倍率性能取決于正極新材料的開發(fā)和結構的改進。納米晶體受益于其較短的鋰離子擴散路徑，增強了LiMPO-4-（M=Fe, Mn, Co）的動力學特性。
然而，與塊狀材料相比，LiMPO-4-納米晶體在電池中的應用也有許多不利之處。比如說，晶體表面的不完整性會使界面處的鋰離子具有更低的束縛能，從而導致充放電電壓的降低和容量的損失；同時，大的比表面積會產生更多的活性位點，過渡金屬陽離子溶解問題會變得更加明顯，這也是影響鋰電池充放電穩(wěn)定性的主要因素。其次，納米化帶來的振實密度和能量密度的降低更是工業(yè)生產中不容忽視的問題。
【成果簡介】
近日，來自北京大學深圳研究生院的潘鋒教授在著名期刊Nano Letters上發(fā)表題為” Excess Li-Ion Storage on Reconstructed Surfaces of Nanocrystals To Boost Battery Performance”的文章。
該文章報道了一種表面重構方法，以此減小LFP納米晶體的缺陷，從而提高了鋰離子電池的容量和倍率性能。通過獨特的表面重構，LFP納米晶體體現出具有尺寸效應的超容量性能。平均粒徑為83nm和42nm的LFP可以表現出186和207mAh g-1的比容量(分別超出了170 mAh g-1理論值的9.4%和21.8%)。而且，基于LFP納米晶體的復合物電極展示了良好循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率特性，10C電流密度下1000次循環(huán)容量損失只有0.3-1.1%，在50C倍率下電極仍然能表現出114mAh g-1/127mAh g-1的充/放電容量。
實驗和理論計算揭示了額外的容量來源于通過C-O-Fe鍵重構LFP表面的額外鋰離子存儲，該鍵可以通過補償表面Fe的破缺對稱來獲得在重構表面上的兩種額外鋰離子存儲位點，以此增強表面鋰的束縛能。該超容量現象在LiFe1-xMnxPO4(0≤x≤1)和LiFe1-xCoxPO4(0≤x≤1)材料中均有發(fā)現。
【圖文導讀】
圖一：兩種LFP復合物的性能和結構表征
(a-b) LFP復合物((N = Normal, E = Excess)的充放電曲線；
(c) 不同LFP復合物的倍率性能；
(d) LFP樣品中C 1s的XPS圖；
(e) 兩種脫鋰后42-nm LFP電極的XAS圖譜和擬合曲線；
(f) 充電的LFP-N和LFP-E結構中Fe原子的巴德電荷。
圖二：充放電時LFP的結構演化圖
(a-b) 鋰與電子轉換和額外鋰原子在LFP-N和LFP-E結構中的的插入位點；
(c-d) 42nm LFP-E納米粒子充放電后的透射電鏡圖片。
圖三：不同LMP復合物電極的性能表征
(a) LFP實驗和理論的超容量尺寸效應；
(b-d) LiFe0.6Mn0.4PO4, LiMnPO4, LiCoPO4復合物的充放電曲線。
【小結】
通過結合實驗和理論計算，揭示了納米LiFePO4重構表面的額外鋰儲存容量機制。該發(fā)現可以用于設計高性能鋰離子電池，通過充分利用納米尺寸粒子的大比表面積，引入穩(wěn)定的sp3雜化型X-Y(e.g, O or N)-M結構鈍化表面M陽離子來重構LiMPO4表面，使得表面不飽和的O原子結合更多的Li，這一策略易于獲取鋰離子電池中的額外容量。
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