新材料學(xué)院發(fā)現自旋電子超交換相互作用如何調控鋰電池正極材料

鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應用于日常電子產(chǎn)品、人工智能、電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機等前沿科技領(lǐng)域。正極材料是鋰離子電池的核心部分，直接決定了鋰電池的能量密度、充放電循環(huán)性能、安全性、成本等。目前參與意義的正極材料有磷酸鐵鋰（LiFePO4）和三元層狀材料(Li(NixMnyCoz)O2)，其中三元層狀材料具有較高的能量密度，是目前鋰離子電池廣泛應用的正極材料（如特斯拉電動(dòng)汽車(chē)所采用的正極材料），也是鋰離子電池領(lǐng)域研究了幾十年、研究最為廣泛的一類(lèi)材料。對這類(lèi)材料進(jìn)行結構與性能相關(guān)性的深入研究，不僅對產(chǎn)業(yè)應用有重要意義，也為探索發(fā)現更好的正極材料奠定基礎。

在這類(lèi)層狀材料中，過(guò)渡金屬離子層與鋰層交替排列，之間通過(guò)氧層間隔開(kāi)。研究發(fā)現Ni/Li反位很容易發(fā)生在三元層狀材料中（見(jiàn)圖1），對其性能發(fā)揮產(chǎn)生影響，如影響鋰離子的擴散速度、容量發(fā)揮和引發(fā)結構相變等，也有少數報道指出適量的Ni/Li反位有利于電化學(xué)循環(huán)過(guò)程中的結構穩定。所以Ni/Li反位對電化學(xué)性能的影響以及如何調控Ni/Li反位，成為大家普遍關(guān)心和研究的重要課題。傳統觀(guān)點(diǎn)認為Ni/Li反位是由于Ni2+與Li+具有相似的離子半徑，Ni2+容易反位到Li(3b)的位置，但這很難解釋高Ni層狀材料中含有較多的Ni3+，但Ni/Li反位卻更容易發(fā)生。因此對其背后的機理進(jìn)行重新研究和深入認識具有基礎理論和產(chǎn)業(yè)應用意義。

圖1 （a）鋰電池三元層狀正極材料結構； （b）Ni/Li反位(TM)6?O3?Ni?O3?Li(TM)5結構基元

北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊通過(guò)第一性原理計算，發(fā)現三元層狀正極材料中過(guò)渡金屬離子之間“自旋電子超交換”作用（兩個(gè)過(guò)渡金屬（TM）的自旋電子通過(guò)所共同鏈接的氧原子（O）的電子作為橋梁進(jìn)行電子“超”交換相互作用，如圖2所示），從而對Ni/Li反位起到關(guān)鍵性的調制作用。Ni/Li反位后，反位Ni2+會(huì )發(fā)生自旋反轉，與過(guò)渡金屬層的過(guò)渡金屬離子(Ni2+, Ni3+,Mn4+)形成180°的超交換作用。由于反位Ni2+的3d軌道與O2-的2p軌道形成較強的σ鍵，這種180°超交換作用大大強于原過(guò)渡金屬層狀內的90°超交換相互作用。在反位Ni2+與過(guò)渡金屬層過(guò)渡金屬離子形成的180°超交換相互作用中，Ni2+-O2-Ni2+最強，Ni2+-O2-Co3+最弱，所以Ni/Li反位最易發(fā)生在反位后能形成較多線(xiàn)性Ni2+-O2-Ni2+的位置。這也解釋了為什么在以往的實(shí)驗報道中發(fā)現高Ni尤其是含有更多Ni2+的三元層狀材料中含有較多的Ni/Li反位，而在“Ni=Mn”三元層狀正極材料中，Co能抑制Ni/Li反位?；诔粨Q作用模型，課題組還發(fā)現在高Ni含有Ni2+/Ni3+混合價(jià)態(tài)的層狀材料中，Ni3+會(huì )優(yōu)先反位到Li層形成Ni2+，發(fā)生自旋反轉形成更多的線(xiàn)性Ni2+-O2-Ni2+超交換作用。同時(shí)由于電荷補償作用，原Ni3+附近的Co3+會(huì )變到Co4+，這也是課題組在國際上首次預測在高Ni三元層狀材料中有Co4+存在。該預測也得到了美國伯克利國家實(shí)驗室的同步輻射軟X射線(xiàn)吸收譜的證實(shí)。上述發(fā)現不僅為三元層狀正極材料長(cháng)期以來(lái)的Ni/Li反位現象提供了很好的機理解釋?zhuān)矠榻窈笕龢O材料的反位缺陷可控調制、新型三元材料的設計提供了重要線(xiàn)索，如尋找可替換Co的更便宜的金屬離子。上述研究成果發(fā)表于國際著(zhù)名物理化學(xué)期刊The Journal of the Physical Chemistry Letters上(J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5537-5542; Nature Index期刊, IF=9.35)。

圖2. 三元層狀材料Ni/Li反位后形成180°超交換相互作用：反位在Li層的過(guò)渡金屬Ni與不反位在過(guò)渡金屬層的Ni的自旋電子通過(guò)所共同鏈接的氧原子（O）的電子作為橋梁進(jìn)行電子“超”交換相互作用。

本工作由新材料學(xué)院潘鋒教授、鄭家新副研究員指導碩士生滕高烽、辛潮博士后、博士生卓增慶共同完成。美國伯克利國家實(shí)驗室楊萬(wàn)里教授參與軟X射線(xiàn)的實(shí)驗測量和機理討論。以上工作得到了國家材料基因組重大專(zhuān)項(2016YFB0700600)、國家自然科學(xué)基金(Nos. 21603007 and 51672012)、深圳市科技創(chuàng )新委 (Nos.JCYJ20150729111733470 and JCYJ20151015162256516)的資助支持。

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