鋰離子電池電極材料一直是最近幾十年的熱門能源材料。鋰離子電池由于其循環(huán)可利用、能量密度高的優(yōu)勢，目前已取得廣泛的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，小到電子器件、電動自行車，大到電動汽車、能源（風(fēng)能、地?zé)崮艿龋┐鎯Αｄ囯x子電池由正極、負極和電解液構(gòu)成，目前的負極材料已具有很高的容量、倍率和穩(wěn)定性，電解液的窗口電壓和離子傳導(dǎo)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(wěn)定性卻還遠跟不上。因此，開發(fā)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，由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價格便宜而成為研究的熱點，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)存在，反而是鐵原子占據(jù)了原有的一維鋰離子通道，導(dǎo)致沒有有效的鋰離子遷移通道存在，因此是不能充分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(xiàn)高的電化學(xué)性能有望成為現(xiàn)實。
近日，深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團隊在此領(lǐng)域取得重大突破。他們應(yīng)用球磨技術(shù)第一次實現(xiàn)了β磷酸鐵鋰的激活。用球磨β-LiFePO4樣品做正極材料組裝的鋰電池實現(xiàn)了130mA g-1的容量和1000次以上循環(huán)的的穩(wěn)定充放電。通過進一步的實驗和第一性原理計算，他們提出并驗證了缺陷激活機制。球磨過程引入了Li/Fe反位（FeLi）和Fe空位（VFe），使得原本沒有通道的純相β-LiFePO4產(chǎn)生了低能壘的三維鋰離子通道，從而使得β-LiFePO4被成功激活。該成果使β-LiFePO4成為一種具有應(yīng)用潛力的新型正極材料，同時相關(guān)的機理也為今后正極材料的設(shè)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(xué)性能。相關(guān)工作近日發(fā)表在國際材料著名期刊《Nano Letters》(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04302， Nature Index雜志之一，影響因子13.6)上，2013級碩士郭華、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。
左圖缺陷態(tài)β-LiFePO4結(jié)構(gòu)和鋰離子遷移通道示意圖及相應(yīng)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北大新材料學(xué)院兼職教授，如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(chuàng)新團隊項目、深圳孔雀計劃及深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)項目等基金的支持。
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Hua Guo, Xiaohe Song, Zengqing Zhuo, Jiangtao Hu, Tongchao Liu, Yandong Duan, Jiaxin Zheng*, Zonghai Chen, Wanli Yang, Khalil Amine, Feng Pan*, Storage and Effective Migration of Li-Ion for Defected β-LiFePO4 Phase Nanocrystals, Nano Lett. 2015, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04302
