中國粉體網(wǎng)訊 在全球變暖和能源危機(jī)的大背景下，隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，人們對高性能、低成本儲能技術(shù)的需求不斷擴(kuò)張。鋰離子電池由于具有高能量密度、長循環(huán)壽命等優(yōu)異綜合性能，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動汽車及儲能等領(lǐng)域。為應(yīng)對不斷提高的產(chǎn)能需求和日益緊缺的原材料資源，高比容量、高穩(wěn)定性、低成本電極材料開發(fā)是目前鋰離子電池技術(shù)研發(fā)的重要環(huán)節(jié)。2014年，研究人員基于滲流理論首次報(bào)道了無序巖鹽氧化物材料（Li1+xTM1-xO2，TM為3d/4d過渡金屬，x<1）在含鋰量超過一定閾值后可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)性能激活，使得近年來陽離子無序巖鹽材料作為一種不同于傳統(tǒng)層狀氧化物的新型正極材料受到了廣泛關(guān)注。其獨(dú)特的三維過渡金屬陽離子骨架相比傳統(tǒng)層狀氧化物二維結(jié)構(gòu)而言在充電過程高脫鋰態(tài)下更容易保持晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因而有望實(shí)現(xiàn)更高比容量的電極材料設(shè)計(jì)；同時(shí)，由于破除了傳統(tǒng)層狀氧化物中鋰離子與過渡金屬離子分層排布的要求，材料中過渡金屬元素的選擇不再局限于鈷、鎳、錳三種元素，而可選取豐度高、成本低的鈦、鐵等過渡金屬元素。上述特性使得無序巖鹽正極材料有望成為下一代高比容量、低成本正極材料的優(yōu)勢候選。
理論研究表明，無序氧化物結(jié)構(gòu)中鋰離子在TM-O八面體平衡位點(diǎn)之間通過特定的四面體空隙位點(diǎn)（稱之為四面體通道）遷移，四面體空隙周圍過渡金屬陽離子和鋰離子的排布方式顯著影響鋰離子傳導(dǎo)。然而實(shí)際材料中，由于過渡金屬陽離子離子半徑和電荷數(shù)的差異以及材料合成工藝的影響，陽離子并非完全隨機(jī)分布形成完美的無序巖鹽結(jié)構(gòu)。陽離子偏聚形成的短程結(jié)構(gòu)影響可傳導(dǎo)鋰離子四面體通道的幾何構(gòu)型、分布和連通性，從而顯著影響無序氧化物正極材料中鋰離子存儲和傳導(dǎo)特性。由于材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜性增加，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析方法難以精準(zhǔn)確定陽離子無序氧化物材料的結(jié)構(gòu)，陽離子無序氧化物材料結(jié)構(gòu)中鋰離子傳導(dǎo)機(jī)制的理論預(yù)測也有待進(jìn)一步證實(shí)。
近日，中國科學(xué)院物理研究所研究人員與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室研究人員合作，利用中子全散射（Neutron Total Scattering）實(shí)驗(yàn)技術(shù)并結(jié)合逆蒙特卡洛（Reverse Monte-Carlo, RMC）數(shù)據(jù)分析方法研究了無序巖鹽模型正極材料Li1.16Ti0.37Ni0.37Nb0.1O2，還原構(gòu)建了包含64000個原子位點(diǎn)的大尺度結(jié)構(gòu)模型。此前研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中Ni2+發(fā)生偏聚使得過渡金屬陽離子和鋰離子分布明顯偏離理論模型中陽離子隨機(jī)分布的情形。實(shí)驗(yàn)觀察到的可傳導(dǎo)鋰離子的四面體空位數(shù)目（理論模型中預(yù)測的四面體空位周圍只含有鋰離子，不含有過渡金屬陽離子，0-TM）顯著低于理論模型預(yù)測的含量。進(jìn)一步對超胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，過渡金屬Ti4+離子在晶格中存在偏離TM-O八面體中心位點(diǎn)分布的現(xiàn)象。第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，該偏移引起的晶格畸變顯著影響鋰離子遷移能壘，使得一部分原本不具有活性的鋰擴(kuò)散通道（四面體空位周圍含有1個過渡金屬陽離子，1-TM）被激活。將此修正因素引入鋰離子滲流模型后發(fā)現(xiàn)，這部分額外的鋰離子擴(kuò)散通道使得整體參與滲流的鋰離子含量顯著上升，結(jié)構(gòu)分析中觀測到的可傳導(dǎo)鋰離子的含量與電化學(xué)測試中材料實(shí)際的可用容量基本符合。
上述研究結(jié)果證實(shí)并拓展了無序巖鹽結(jié)構(gòu)中鋰離子傳導(dǎo)的滲流理論，為設(shè)計(jì)無序巖鹽氧化物正極材料提供了理論依據(jù)。此外，全散射實(shí)驗(yàn)技術(shù)和逆蒙特卡洛分析方法的結(jié)合為研發(fā)無序巖鹽氧化物等具有復(fù)雜納米和短程結(jié)構(gòu)的材料提供了有效的手段。相關(guān)成果以Expandable Li percolation network: the effects of site distortion in cation-disordered rock-salt cathode material為題發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金委大科學(xué)裝置聯(lián)合基金項(xiàng)目和中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
圖1 RMC方法擬合無序超胞結(jié)構(gòu)及與單胞擬合方法的對比
圖2 無序超胞結(jié)構(gòu)中鋰擴(kuò)散通道及其元素關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)分析
圖3 無序超胞結(jié)構(gòu)中鋰滲流網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算、可視化以及與電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比
圖4 無序超胞結(jié)構(gòu)中過渡金屬離子偏移的統(tǒng)計(jì)分析
圖5 DFT計(jì)算過渡金屬偏移引起的鋰擴(kuò)散勢壘變化及更新后的鋰滲流網(wǎng)絡(luò)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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