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化工学院郭孝东教授团队在顶级期刊Advanced Science上发表研究论文

发布时间 :2019年05月19日 编辑 :黄榆涵

近日,在万博体育manbetx杰出教授钟本和带领下,化学工程学院教育部磷资源综合利用与清洁加工工程研究中心磷基功能材料与新能源化工研究室郭孝东教授团队在锂离子电池研究方面取得突破性进展,相关研究成果“Suppressing Manganese Dissolution via Exposing Stable{111} Facets for High-Performance Lithium-Ion OxideCathode”发表于国际顶级期刊 Advanced Science (影响因子12.441)上。该论文第一作者为万博体育manbetx化学工程学院2016级博士研究生肖遥,通讯作者是郭孝东教授和万博体育manbetx特聘教授郭玉国研究员,万博体育manbetx化学工程学院为第一单位。

锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高和绿色环保等优势,是目前为止综合性能最好的化学电源。锂离子电池已经在3C电子领域占据了主导地位,而且在动力电池方面也表现出了强劲的发展势头。其中,尖晶石锰酸锂氧化物正极材料因合成工艺简单和明显的成本优势,得到了广泛的应用,在动力电池领域,占据了一定的市场份额。然而,锰酸锂正极材料中含有大量Mn3+,容易发生歧化,生成Mn2+并溶解在电解液中,造成正极材料表面的腐蚀。同时,溶解的Mn2+受到浓度梯度和电场作用会迁移到石墨负极表面并析出,影响负极表面SEI膜的形成,导致电池性能衰减严重,此现象在高温状态下尤其明显。所以改善正极材料表面结构稳定性从而抑制锰溶出是提高尖晶石氧化物正极材料电池性能的关键。

因此,课题组研究人员通过表观几何结构调制策略设计出了一种择优暴露稳定{111}晶面的高性能锂离子电池正极材料,同时,此类正极材料还具备三维空心梭型的结构。一方面,独特的结构可以缩短锂离子的传输距离从而大幅度提高倍率性能。另外,也可以缓冲充放电过程中正极材料产生的结构应力和体积变化。而且,择优暴露的稳定{111}晶面具备更加致密的锰原子排列,可以减缓界面副反应的发生,而且有利于形成稳定的SEI,显著提高材料结构循环稳定性,从而大幅度改善材料的电化学性能。本工作所提出的择优晶面设计策略为尖晶石正极材料物理化学性质的调制提供了借鉴,可以进一步推广到其他正极材料体系研究中,这为未来开发高性能锂离子电池正极材料提供了新的思路。

图1. a)LMO-HF正极材料的XRD图。b, c) LiMn2O4正极材料沿[110]和[111]带轴的晶体结构示意图。d, e)LMO-HF正极材料前驱体生成过程的原位变温XRD图以及相应的二维等高线图。f, g)MnCO3材料的SEM和TEM图。h-l)LMO-HF正极材料的TEM,TEM-EDS,和HR-TEM图。

图2.a, b)LMO-HF正极材料的TEM和HR-TEM图。c, d)LMO-HF正极材料在不同位置的放大HR-TEM图。e, f)LMO-HF正极材料不同位置的TEM和HR-TEM图。g, h)LMO-HF正极材料在不同位置的放大HR-TEM图。i, j)LMO-HF正极材料不同位置的TEM和HR-TEM图。k, l)LMO-HF正极材料在不同位置的放大HR-TEM图。

图3.a-f)LMO-HF正极材料在不同位置沿不同角度的截面FIB-SEM图。g-i)在不同状态下截面FIB-SEM的三维重构图。

图4.a,b)LMO-HF正极材料沿[110]带轴的HAADF和 ABF-STEM图。c,d)LMO-HF正极材料沿[110]带轴放大HAADF和ABF-STEM图以及相应的原子结构模型。

图5a,b)LMO-HF电极在室温0.5C电流密度的首圈恒流充放电曲线和在0.1 mV s−1扫速的循环伏安图。c, d)LMO-HF电极在室温不同电流密度下的倍率性能及不同倍率的恒流充放电曲线。e, f) LMO-HF电极在室温不同扫速下循环伏安图以及峰电流与扫速平方根的线性关系。g, h) LMO-HF电极在室温充电过程中的GITT曲线及相应的不同状态的电压极化和欧姆极化。i) LMO-HF电极在室温1C电流密度的循环性能。j) LMO-HF电极在高温0.5C电流密度的循环性能。

Yao Xiao, Xu-Dong Zhang, Yan-Fang Zhu, Peng-Fei Wang, Ya-Xia Yin, Xinan Yang,Ji-Lei Shi, Jian Liu, Hongliang Li, Xiao-Dong Guo,* Ben-He Zhong, and Yu-Guo Guo*. Suppressing Manganese Dissolution via Exposing Stable{111} Facets for High-Performance Lithium-Ion OxideCathode, Adv. Sci. 2019, DOI: 10.1002/advs.201801908.

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作者简介:

郭孝东:万博体育manbetx化学工程学院教授,澳大利亚伍伦贡大学访问教授,博士生导师,万博体育manbetx化学工程学院院长助理,化学工程与工艺专业实践训练教研室主任,万博体育manbetx百人计划获得者,万博体育manbetx优秀青年基金获得者,万博体育manbetx化工之星科技青年人才。主持国家自然青年项目,面上项目,四川省科技支撑计划,企业横向项目等十余项,参与国家863项目,国家重点研发计划等多项。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.、Adv.Sci.等期刊上发表SCI论文近百篇。

肖遥:2016年免试提前攻读博士学位主要研究方向包括锂离子电池、钠离子电池、全固态电池。目前以第一作者身份发表SCI论文6篇,包括一篇Adv. Mater.(IF:21.950),两篇Adv. Energy Mater. (IF:21.875), 和一篇Adv. Sci. (IF:12.441),累计影响因子达到82.835。同时,以合作作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表SCI论文8篇。获得博士研究生国家奖学金、万博体育manbetx优秀学术之星、万博体育manbetx化学工程学院十佳学术之星、万博体育manbetx优秀毕业博士研究生,四川省优秀毕业博士研究生、中国化学会第31届学术年会优秀墙报等荣誉并在2018年电池应用国际研讨会上作口头报告。