目前，鋰離子電池廣泛應用于電動汽車等設備。據外媒報道，由香港城市大學（City University of Hong Kong）、美國西北大學（Northwestern University）和美國其他機構的研究人員組成的團隊開發出新的陰極，可以解決現有陰極存在的固有問題，從而增加鋰電池的容量。

 

       研究人員之一Qi Liu表示：“此次研究的重點是一種特定類型的富鋰和富錳（LMR）層狀陰極材料。比起目前的商用陰極，這種材料有潛力存儲更多的能量。”

 

       眾所周知，LMR層狀陰極容易受到“電壓衰減”（voltage decay）現象的影響，從而使電池出現快速退化和電壓損失。這極大地限制了鋰電池的性能。以前，研究人員嘗試通過涂覆陰極材料或加入新元素來穩定結構，然而并沒有解決問題。近年來，一類具有獨特O2堆疊結構的LMR材料受到關注。比起傳統的O3型LMR，這些材料表現出較低的電壓損失。另外，受益于獨特的O2堆疊，研究人員還可以對固有不穩定蜂窩晶格的局部結構進行微調。

 

       Liu教授等人嘗試構建一種新的基于O2型的LMR陰極，以穩定LMR材料特有的蜂窩狀結構。Liu表示：“研究人員將過渡金屬（TM）離子引入蜂窩結構上方或下方的鋰層中。這樣做的目的是大幅增強蜂窩結構的穩定性，有效緩解循環過程中的電壓衰減問題，從而促進LMR正極材料在高能量密度鋰離子電池中的實際應用。”

 

       為了制造具有TM刺穿蜂窩（TM-pinned honeycomb）的LMR材料，研究人員利用離子交換技術（即有效去除或溶解離子的系統），將P2型Na 0.6 Li 0.2（Mn 0.6 - x Ni x ）O2材料轉變成其所需的O2型LMR陰極。Liu教授表示：“這種材料的獨特之處在于，使TM離子位于蜂窩狀結構的上方或下方，以充當蓋子來穩定易碎框架。與傳統陰極相比，這種LMR陰極的優點在于，在電池使用過程中，可以大幅降低電壓衰減。”

 

       初始評估顯示，這種富鋰陰極表現良好，可以延長鋰離子電池的壽命，并提高其性能。這意味著電動汽車可能存儲更多的能量，從而延長單次充電續航里程。Liu教授表示：“長期以來，LMR陰極材料的實際應用備受爭議。這項研究成功解決了LMR中長期存在的電壓衰減問題。結果顯示，在陰極材料中加入額外的TM，可以穩定蜂窩結構，使每個循環周期的電壓衰減僅達到0.02 mV，可以忽略不計。”

 

       未來，這一發現將有助于改進LMR陰極或者啟發其他類似設計。Liu教授表示：“目前的工作成功解決了LMR電壓衰減的問題。未來的目標是解決另一個關鍵問題——LMR電壓滯后。電壓滯后是指電池充、放電循環期間電壓曲線的差異。以前，人們普遍認為電壓滯后是由于蜂窩上部結構的不穩定性造成的。然而，即使是采取這項研究中提出的‘帽‘結構，電壓滯后現象也沒有得到緩解。”

 

       接下來，研究人員計劃深入探索LMR陰極電壓滯后的機制，從而完善陰極設計。Liu教授表示：“下一目標是解決電壓滯后問題，并進一步提高陰極材料的能量密度。研究人員還將尋找解決方案，以擴大材料制造工藝，用于大規模電池生產。”