学者提出一种延长锂储存寿命的方法
华南师范大学林晓明教授团队提出了利用金属-有机框架（MOF）为前驱体制备氟、氧双掺杂碳包覆富氧空位LiMn2O4正极（OV-LMO@FOC）的方法，以优化电子结构，提高导电性和锂离子扩散性，增强长期循环稳定性，展示了MOF化学在高性能正极材料改性中的应用前景。近日，相关成果发表于《材料展望》（Materials Futures）。
尖晶石LiMn2O4正极嵌入双杂原子掺杂碳的合成策略示意图。研究团队供图
尖晶石锂锰氧化物（LMO）因环境友好、高热稳定性、高电压、高能量密度和显著成本优势而备受关注。然而，LMO易受从立方相演变为四方相的Jahn-Teller畸变影响，由于Mn3+歧化机制导致Mn2+在电解质中溶解，进而引发电极极化和长期循环性能下降，造成严重的容量退化。因此，如何解决LMO的致命结构不稳定性，成为提升其应用前景的关键。在此背景下，MOF模板合成策略为LMO材料的定向设计提供了思路。
研究人员通过均苯三甲酸和Mn2+组装得到球形Mn-MOF，制备OV-LMO@FOC时，将Mn-MOF、氟化铵和碳酸锂均匀混合，在氩气中固态烧结，形成LiMn2O4，其中碳酸锂和锰离子分别作为锂源和锰源。Mn-MOF的三羧酸配体转化为碳层，氟化铵促进氟掺杂。同时，采用不含NH4F的分层MOF衍生的LiMn2O4嵌入O掺杂碳（OV-LMO@OC）和MOF衍生的LiMn2O4(LMO)作为平行实验，以突出OV-LMO@FOC的优异电化学性能。OV-LMO@FOC展现出优异的电化学性能，包括高可逆容量、出色倍率性能和长循环稳定性。此工作，为实现工业化提供了可能。
总体而言，分级微/纳米结构设计改善了电子导电性，缓解了充放电过程中的体积波动。氟、氧双掺杂可有效避免LMO颗粒的严重结构衰退及其与电解质的直接接触。实验和理论研究均证实氧空位工程可改善LMO的电子/原子结构，促进离子/电子快速传输。
该研究工作为MOFs在电极材料表面改性和电子调制方面拓宽了视野，有助于设计具有更长循环寿命的尖晶石正极材料。（来源：中国科学报 朱汉斌）