近日，新材料學(xué)院肖蔭果團隊在國際學(xué)術(shù)期刊《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表題為“Boosting Initial Coulombic Efficiency in Li-Rich Mn-based Cathodes by Tuning Orbital Hybridization”的研究論文，該成果被期刊遴選為熱點論文（Hot Paper）。富鋰錳基正極材料因其陰離子氧化還原反應(yīng)所提供的高比容量優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代鋰離子電池的關(guān)鍵材料。然而，該材料在首次充電過程（>4.5 V）中存在的晶格氧不可逆流失、過渡金屬遷移及表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)等問題，導(dǎo)致初始庫侖效率低下、電壓持續(xù)衰減和容量衰退，嚴(yán)重制約了其實際應(yīng)用。
圖1. 研究成果在Angew. Chem. Int. Ed期刊的發(fā)表頁面
研究團隊創(chuàng)新性地提出通過調(diào)控過渡金屬3d與氧2p軌道雜化的策略，成功解決了富鋰錳基正極材料初始庫侖效率低的難題。實驗結(jié)果表明，該策略將初始庫侖效率從85.3%顯著提升至102.5%，同時實現(xiàn)了291.2 mAh·g?1的高比容量。研究通過中子粉末衍射實驗精確量化了材料中的氧空位含量，并利用同步輻射軟X射線吸收譜實驗表征證實了Co/Mn t2g軌道與O 2p軌道雜化程度的降低。這一調(diào)控不僅有效抑制了不可逆的陰離子氧化反應(yīng)和晶格氧流失，還成功激活了費米能級以下的Co2+/Co3+氧化還原電對，同時抑制了易引發(fā)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的Mn4+/Mn4+電對。該研究深入揭示了軌道雜化程度對陰離子氧化可逆性及氧化還原電對活性的調(diào)控機制，充分展現(xiàn)了中子和同步輻射大科學(xué)裝置在新能源材料研發(fā)領(lǐng)域的優(yōu)勢和應(yīng)用價值。
圖2. 正極材料在不同電壓態(tài)的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)演變過程
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院肖蔭果長聘副教授、蒲禹光博士與英國劍橋大學(xué)王睿博士為該論文共同通訊作者，我院博士研究生曾淘為第一作者。該項工作獲得國家重點研發(fā)計劃“大科學(xué)裝置前沿研究”重點專項課題、國家自然科學(xué)基金面上項目、國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點項目和東莞松山湖大科學(xué)裝置（散裂中子源）開放課題的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202501777
