新材料学院首次发现高容量可充放电的新型β相磷酸铁锂电池材料

时间：2015-12-16 20:58  作者：  来源：北大新闻网

　　锂离子电池电极材料一直是最近几十年的热门能源材料。锂离子电池由于其循环可利用、能量密度高的优势，目前已取得广泛的商业化生产和应用，小到电子 器件、电动自行车，大到电动汽车、能源（风能、地热能等）存储。锂离子电池由正极、负极和电解液构成，目前的负极材料已具有很高的容量、倍率和稳定性，电 解液的窗口电压和离子传导能力也能满足大部分电极材料，但是正极材料的倍率性能、容量和稳定性却还远跟不上。因此，开发新型正极材料一直是一个重要研究方 向。在正极材料中，磷酸铁锂材料橄榄石型（oliven-LiFePO₄）具有一维锂离子迁移通道，由于其结构稳定、价格便宜而成为研究的热点，已经广泛应用在电动汽车动力电池上。除橄榄石型之外，β相磷酸铁锂（β-LiFePO₄）是另一种结构不同的磷酸铁锂材料，这种材料理论能量密度比橄榄石相更高。但是，纯的β磷酸铁锂材料被证明是没有活性的。纯相β-LiFePO₄中锂离子和周围氧原子是以四面体配位的形式存在，不同锂离子被相互隔离开来，橄榄石相中的锂离子一维扩散通道不复存在，反而是铁原子占据了原有的一维锂离子通道，导致没有有效的锂离子迁移通道存在，因此不能充放电，没有锂电池电极材料的活性。如果在β-LiFePO₄中能够引入新的锂离子扩散通道，实现高的电化学性能有望成为现实。

　　近日，新材料学院潘锋教授团队在此领域取得重大突破。他们应用球磨技术第一次实现了β磷酸铁锂的激活。用球磨β-LiFePO₄样品作正极材料组装的锂电池实现了130mA g^-1的容量和1000次以上循环的稳定充放电。通过进一步的实验和第一性原理计算，他们提出并验证了缺陷激活机制。球磨过程引入了Li/Fe反位（Fe_Li）和Fe空位（V_Fe），使得原本没有通道的纯相β-LiFePO₄产生了低能垒的三维锂离子通道，从而使得β-LiFePO₄被成功激活。该成果使β-LiFePO₄成为一种具有应用潜力的新型正极材料，同时相关的机理也为今后正极材料的设计提供了新思路，比如引入无序来激活被囚禁的锂离子，从而获得高电化学性能。相关工作近日发表在国际材料著名期刊Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04302，Nature Index杂志之一，影响因子13.6)上，2013级硕士研究生郭华、宋孝河是该文章的共同第一作者, 特聘研究员郑家新博士和潘锋教授是共同通信作者。

左图为缺陷态β-LiFePO4结构和锂离子迁移通道示意图及相应的迁移能垒，右图为不同球磨条件（例如bLFPC-8为球磨8小时）下的充放电曲线

　　该工作的合作者还包括新材料学院兼职教授、美国伯克利国家实验室的Wangli Yang教授，美国阿贡实验室的Khalil Amine教授等。该项工作得到了国家电动汽车动力电池重大专项、广东省引进科技创新团队项目、深圳孔雀计划及深圳市科技创新基础项目等基金的支持。