近日，我院蒋永研究员、赵兵研究员课题组在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》（最新影响因子：27.8）上发表富锂锰基正极材料的最新研究综述，论文题目为“Understanding Lattice Oxygen Redox Behavior in Lithium-Rich Manganese-Based Layered Oxides for Lithium-Ion and Lithium-Metal Batteries from Reaction Mechanisms to Regulation Strategies” 。
锂离子电池因其循环寿命长、自放电程度低等优点，已广泛用于便携式电子产品、电动汽车和储能领域。当前主流的钴酸锂、镍钴锰三元、磷酸铁锂等正极材料的比容量均低于200 mAh g-1，全电池能量密度不足300Wh kg-1，难以满足快速增长的储能需求，因此亟需开发低成本、高比能量的正极材料。
富锂锰基正极材料(Li1+xM1-xO2)凭借阴阳离子共同参与电化学过程的特征，拥有约300 mAh g-1放电比容量及500Wh kg-1全电池能量密度，被认为是下一代高能量密度锂离子电池的正极材料。此外，富锂锰基正极材料中Ni和Co元素含量很低，有利于降低成本和保护环境。然而富锂锰基正极材料较差的阴离子电化学可逆性造成晶格氧不可逆损失及有序层状结构破坏，最终导致放电容量损失和中值电压衰减，严重阻碍了其实际应用。近年来，尽管大量的改性策略被提出用以改善富锂锰基正极的电化学性能，然而由于缺乏对阴离子氧化还原机制的深刻认知，难以有效地调控阴离子电化学可逆性并显著提高富锂锰基正极的循环寿命。
本工作综述富锂锰基正极中阴离子氧行为的示意图
该综述系统地总结了富锂锰基正极材料阴离子氧的电化学行为研究的最新进展。首先，对阴离子氧化还原过程的各种热力学模型及晶格氧的不同反应路径/反应产物进行分类与讨论。此外，不可逆的阴离子氧化还原与界面/结构演化的关系被构建，用以揭示电化学性能衰退的起源。基于对晶格氧氧化还原机制的深入认知，提出一系列的改性措施，提高阴离子氧化还原可逆性。相应的改性机制被总结分析，为进一步的合理化改性做出铺垫。最后，本文对富锂锰基正极的未来研究方向和发展趋势进行了展望，为进一步理解富锂锰基正极中阴离子氧化还原机制及设计电化学性能优异的富锂锰基正极材料提供了重要的参考。
蒋永、赵兵研究员课题组对富锂锰基正极材料有着多年的研究经验，围绕富锂锰基正极材料的界面改性和体相修饰开展了大量的工作，研究成果发表在：Nano Energy, 2022, 101, 107555; Chemical Engineering Journal, 2023, 465, 142928; Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 615, 1。本课题组从反应机制到改性策略理解富锂锰基正极晶格氧的氧化还原行为，旨在从本质上调控阴离子电化学可逆性并改善富锂锰基正极的电化学性能。目前正在推进富锂锰基正极体相结构调控与富锂锰基正极/固态电解质界面修饰的研究工作。
本论文工作上海大学环境与化学工程学院为第一作者单位。环化学院蒋永研究员、赵兵研究员为共同通讯作者，第一作者为博士生沈超。该项工作得到国家自然科学基金（22179080, 21805182, 22379091）、上海市创新团队的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202302957
