目前电动车动力电池和消费电子电池都需要高能量密度和功率密度（快速充放电）的锂电池。富锂电极材料除了能提供更高的容量之外，富锂结构对产业在应用的Li1+xFe1-xPO4、Li2+2xFe1-xSiO4、Li2MnO3等材料中的Li离子迁移有一定的促进作用，能提高锂电池的充放电速度。富锂相的尖晶石锰酸锂Li1+xMn2-xO4也是常见的富锂材料之一，但此前缺乏对其Li离子迁移的系统性研究工作。
图 1 富锂相尖晶石锰酸锂快速扩散机理
理论配比相超胞(a)和富锂相超胞(b)中Mn离子的价态分布以及超胞所包含的锂离子扩散通道对应的gate sites上的离子分布；(c)不同锂离子扩散通道的迁移能垒
北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组通过第一性原理计算方法系统地研究了富锂相尖晶石锰酸锂中Li离子的扩散性能，发现富锂结构对这一体系的Li离子迁移同样有着促进作用。尖晶石锰酸锂结构中存在一类被称为“gate sites”的基元负责调控Li离子的扩散。该研究发现，富锂构型为体系引入了两种Li离子迁移的快速通道，从而提升了Li离子的扩散性能。第一种快速通道的产生是由于富余的Li+取代了gate sites上的Mn3+，降低了gate sites上的阳离子与发生迁移的Li离子之间的库仑排斥。第二种快速通道的产生则是由于富锂后gate sites上出现了更多分布对称的Mn4+，它们对迁移的Li离子的库伦排斥力在垂直于Li迁移路径的平面上相互抵消，从而降低了Li的迁移能垒。此外，在一些慢速通道中，发生在gate sites上极子转移与Li离子的迁移耦合在了一起，导致了这些通道的高能垒。
该研究成果近期发表在能源材料学科前5%的国际顶级杂志Journal of Materials Chemistry A（JMCA）上（J. Mater. Chem. A, 2018, 6(21): 9893-9898，影响因子8.867），并被作为封底文章highlight推荐，文章题为Insight into fast Li diffusion in Li-excess spinel lithium manganese oxide。
图2 JMCA杂志封底
该研究是在潘锋教授与郑家新副研究员的指导和团队成员的协助下，由2015级硕士研究生肖伟集同学完成的。本项目致谢国家材料基因组重点专项和广东省创新团队的支持。
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