新材料學院首次發現高容量可充放電的新型β相磷酸鐵鋰電池材料

時間🧑🏽‍🚀：2015-12-16 20:58  作者：  來源：意昂体育3新聞網

　　鋰離子電池電極材料一直是最近幾十年的熱門能源材料。鋰離子電池由於其循環可利用、能量密度高的優勢，目前已取得廣泛的商業化生產和應用，小到電子 器件、電動自行車，大到電動汽車、能源（風能👰‍♀️、地熱能等）存儲。鋰離子電池由正極、負極和電解液構成，目前的負極材料已具有很高的容量♎️🏂🏻、倍率和穩定性👭🏼🧍‍♀️，電 解液的窗口電壓和離子傳導能力也能滿足大部分電極材料，但是正極材料的倍率性能、容量和穩定性卻還遠跟不上。因此，開發新型正極材料一直是一個重要研究方 向🦶🏽。在正極材料中👩🏻‍🎤，磷酸鐵鋰材料橄欖石型（oliven-LiFePO₄）具有一維鋰離子遷移通道，由於其結構穩定🗃、價格便宜而成為研究的熱點🙏，已經廣泛應用在電動汽車動力電池上。除橄欖石型之外🧑🏻‍🦽，β相磷酸鐵鋰（β-LiFePO₄）是另一種結構不同的磷酸鐵鋰材料🌙🧑🏼‍🦳，這種材料理論能量密度比橄欖石相更高🖕🏽🥗。但是，純的β磷酸鐵鋰材料被證明是沒有活性的🫑。純相β-LiFePO₄中鋰離子和周圍氧原子是以四面體配位的形式存在，不同鋰離子被相互隔離開來，橄欖石相中的鋰離子一維擴散通道不復存在，反而是鐵原子占據了原有的一維鋰離子通道🤛，導致沒有有效的鋰離子遷移通道存在，因此不能充放電，沒有鋰電池電極材料的活性。如果在β-LiFePO₄中能夠引入新的鋰離子擴散通道，實現高的電化學性能有望成為現實。

　　近日，新材料學院潘鋒教授團隊在此領域取得重大突破。他們應用球磨技術第一次實現了β磷酸鐵鋰的激活。用球磨β-LiFePO₄樣品作正極材料組裝的鋰電池實現了130mA g^-1的容量和1000次以上循環的穩定充放電。通過進一步的實驗和第一性原理計算，他們提出並驗證了缺陷激活機製。球磨過程引入了Li/Fe反位（Fe_Li）和Fe空位（V_Fe）🧑🏻‍⚕️，使得原本沒有通道的純相β-LiFePO₄產生了低能壘的三維鋰離子通道𓀌，從而使得β-LiFePO₄被成功激活⏳🩶。該成果使β-LiFePO₄成為一種具有應用潛力的新型正極材料，同時相關的機理也為今後正極材料的設計提供了新思路，比如引入無序來激活被囚禁的鋰離子，從而獲得高電化學性能。相關工作近日發表在國際材料著名期刊Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04302，Nature Index雜誌之一，影響因子13.6)上，2013級碩士研究生郭華、宋孝河是該文章的共同第一作者, 特聘研究員鄭家新博士和潘鋒教授是共同通信作者。

左圖為缺陷態β-LiFePO4結構和鋰離子遷移通道示意圖及相應的遷移能壘👩‍👩‍👧‍👧，右圖為不同球磨條件（例如bLFPC-8為球磨8小時）下的充放電曲線

　　該工作的合作者還包括新材料學院兼職教授、美國伯克利國家實驗室的Wangli Yang教授，美國阿貢實驗室的Khalil Amine教授等。該項工作得到了國家電動汽車動力電池重大專項、廣東省引進科技創新團隊項目、深圳孔雀計劃及深圳市科技創新基礎項目等基金的支持🤭。