近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等采用組分梯度策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)富鋰錳基鋰離子電池正極材料內(nèi)部應(yīng)力分布與電子結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，并借助電池原位磁性技術(shù)，揭示了材料在電化學(xué)反應(yīng)過程中磁結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律與反應(yīng)機(jī)制。

　　為突破電動(dòng)汽車的續(xù)航瓶頸，滿足規(guī)模儲(chǔ)能對(duì)高能量密度電池的需求，開發(fā)下一代高能量密度鋰離子電池正極材料已成為能源材料研究領(lǐng)域的核心課題。富鋰錳基正極材料被認(rèn)為是推動(dòng)鋰離子電池能量密度邁向500Wh kg-1級(jí)別的候選材料之一。然而，晶格氧參與氧化還原過程帶來了較多問題，制約了其實(shí)際應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，理解并精準(zhǔn)調(diào)控材料中氧的氧化還原行為，是提升富鋰錳基正極材料電化學(xué)性能的關(guān)鍵。

　　研究團(tuán)隊(duì)采用全濃度梯度設(shè)計(jì)方案，合成了一種從顆粒中心到表面錳含量逐漸降低、鎳含量逐漸升高的富鋰錳基材料。該梯度結(jié)構(gòu)能緩解充放電過程中鋰離子不均勻脫嵌引發(fā)的內(nèi)部應(yīng)力積累，顯著增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該材料在1C倍率下放電容量可達(dá)216mAh g-1，在2C倍率下循環(huán)200圈后容量保持率高達(dá)91.8%，呈現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能。

　　研究基于自主研制的高精度電池原位磁性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)材料在充放電過程中的磁化強(qiáng)度演化行為，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)追蹤。研究發(fā)現(xiàn)，在氧氧化還原主導(dǎo)的高電壓階段，梯度結(jié)構(gòu)材料的磁化強(qiáng)度呈現(xiàn)出相對(duì)平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，表明梯度策略能夠有效調(diào)控Mn與O周圍的局域電子結(jié)構(gòu)，維持Mn–O軌道的穩(wěn)定雜化，進(jìn)而抑制不可逆O–O二聚體的形成，提升氧氧化還原反應(yīng)的可逆性。

　　該研究提出了通過組分梯度設(shè)計(jì)優(yōu)化富鋰錳基正極材料性能的有效途徑，為發(fā)展高比能富鋰錳基正極材料提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)高能量密度鋰離子電池的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化具有指導(dǎo)意義。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院等的支持。