富鋰錳基氧化物作為下一代高能量密度鋰離子電池的潛在正極材料，因其放電容量超過250 mAh g-1而受到全世界的廣泛關(guān)注。然而，較低的倍率能力和電壓衰減問題帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。提高倍率性能的傳統(tǒng)方法，如納米和多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，會增加正極的表面積，從而加速有害的錳離子遷移和氧氣釋放。

圖1. 材料結(jié)構(gòu)表征

北京大學(xué)夏定國等受城市道路立交橋建設(shè)的啟發(fā)，通過在晶體中加入孿晶結(jié)構(gòu)，成功合成了具有準(zhǔn)三維（quasi-3D）鋰離子擴(kuò)散通道的富鋰正極材料，這突破了正極材料納米級和多孔設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)策略。

通過X射線衍射(XRD)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)和電子反向散射衍射(EBSD)等綜合結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，作者觀察到制備的單分散微米級原生粒子具有很高的孿晶密度。密度泛函理論（DFT）計(jì)算揭示了具有增強(qiáng)鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的準(zhǔn)三維鋰離子擴(kuò)散通道的構(gòu)建。

圖2. 電化學(xué)性能研究

結(jié)果，制備的材料在0.1C時(shí)的比容量為303 mAh g-1，在1C時(shí)的比容量為253 mAh g-1。更重要的是，孿生結(jié)構(gòu)還起到了"防波堤"的作用，抑制了錳離子的遷移，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)了長期循環(huán)穩(wěn)定性，在1C下經(jīng)過200次循環(huán)后，容量保持率為85%。

這項(xiàng)工作提出的在層狀富鋰正極中構(gòu)建準(zhǔn)三維通道的策略將為其他層狀氧化物正極的研究和開發(fā)開辟新的途徑，并有可能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

圖3. 陰離子氧化還原行為

Unlocking The Potential of Li-rich Mn-based Oxides for High-rate Rechargeable Lithium-ion Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202307138