隨著消費類電子、電動汽車和儲能等領域的迅猛發展，亟需提升以鋰離子電池為代表的二次儲能設備的能量密度。在鋰離子電池中，正極材料占據的成本最大，是提升鋰離子電池能量密度的關鍵。目前已經商業化的正極材料（如鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元正極材料等）的實際容量已經逼近其理論值，難以滿足日益增長的市場需求，因此探索新一代具有高能量密度的正極材料是十分迫切的。

富鋰正極材料，如富鋰錳基正極材料（xLi2MnO3•(1–x)LiTMO2, TM = Ni, Mn, Co, 等），具有極高的理論比容量（＞350 mAh/g）和可逆比容量（>250 mAh/g），被認為是最有潛力的下一代鋰離子電池正極材料之一。其高容量的來源不僅僅是由過渡金屬離子組成的氧化還原電對（通常為Ni2+/Ni4+, Co3+/Co4+, 少量Mn3+/Mn4+），還有獨特的陰離子氧化還原電對（O2-/O-/O2）。此外，富鋰錳基正極材料減少了昂貴的Co和Ni的用量，有效降低了生產成本。但是，富鋰錳基正極材料也面臨著首次庫倫效率低、倍率性能差、容量和電壓衰減嚴重等問題，阻礙了其商業化進程。

基于上述背景，廈門大學材料學院彭棟梁教授和謝清水特任研究員聯合中科院物理研究所禹習謙研究員系統地總結了近年來富鋰正極材料的研究進展。本文完整地歸納了富鋰錳基正極材料的晶體結構、反應機理和現存的挑戰，系統地討論了各種改性策略的優劣和應用。此外，本文還介紹了其它種類富鋰正極材料（比如巖鹽富鋰和鐵基硫化物富鋰正極材料等）和富鋰全電池的發展現狀。最后，文章展望了富鋰正極材料未來的研究方向。通過對近年來富鋰正極材料領域發表的相關工作的分析和歸納，本文提出了富鋰正極材料的改性策略正在朝著單一方法多功能和多策略協同改性的趨勢發展等觀點，為富鋰正極材料未來的發展提供了新的啟示和思路。

圖1. 富鋰錳基正極材料從晶體結構到實際應用各個階段面臨的挑戰和策略概述。圖片來源：Adv. Mater.

圖2. （a，b）巖鹽結構富鋰正極材料Li1.3Nb0.3Mn0.4O2的電壓曲線以及（c）巖鹽Li2Ni1/3Ru2/3O3的原位拉曼光譜。（d）鐵基硫化物富鋰正極材料在C/20條件下和1.8-3 V電壓范圍的的前兩個循環電壓曲線。圖片來源：Adv. Mater.

這一成果近期發表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是廈門大學材料學院博士研究生何偉和郭慰彬。

Challenges and Recent Advances in High Capacity Li-Rich Cathode Materials for High Energy Density Lithium-Ion Batteries

Wei He, Weibin Guo, Hualong Wu, Liang Lin, Qun Liu, Xiao Han, Qingshui Xie,* Pengfei Liu, Hongfei Zheng, Laisen Wang, Xiqian Yu,* and Dong-Liang Peng* 

Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202005937