潘鋒：發(fā)現(xiàn)高容量可充放電新型β相磷酸鐵鋰電池材料

鋰離子電池電極材料一直是最近幾十年的熱門能源材料。鋰離子電池由于其循環(huán)可利用、能量密度高的優(yōu)勢，目前已取得廣泛的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，小到電子器件、電動自行車，大到電動汽車、能源（風(fēng)能、地?zé)崮艿龋┐鎯Α?/p>

鋰離子電池由正極、負(fù)極和電解液構(gòu)成，目前的負(fù)極材料已具有很高的容量、倍率和穩(wěn)定性，電解液的窗口電壓和離子傳導(dǎo)能力也能滿足大部分電極材料，但是正極材料的倍率性能、容量和穩(wěn)定性卻還遠(yuǎn)跟不上。因此，開發(fā)新型正極材料一直是一個重要研究方向。在正極材料中，磷酸鐵鋰材料橄欖石型（oliven-LiFePO₄）具有一維鋰離子遷移通道，由于其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價格便宜而成為研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電動汽車動力電池上。除橄欖石型之外，β相磷酸鐵鋰（β-LiFePO₄）是另一種結(jié)構(gòu)不同的磷酸鐵鋰材料，這種材料理論能量密度比橄欖石相更高。但是，純的β磷酸鐵鋰材料被證明是沒有活性的。純相β-LiFePO₄中鋰離子和周圍氧原子是以四面體配位的形式存在，不同鋰離子被相互隔離開來，橄欖石相中的鋰離子一維擴(kuò)散通道不復(fù)存在，反而是鐵原子占據(jù)了原有的一維鋰離子通道，導(dǎo)致沒有有效的鋰離子遷移通道存在，因此不能充放電，沒有鋰電池電極材料的活性。如果在β-LiFePO₄中能夠引入新的鋰離子擴(kuò)散通道，實(shí)現(xiàn)高的電化學(xué)性能有望成為現(xiàn)實(shí)。

近日，新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊在此領(lǐng)域取得重大突破。他們應(yīng)用球磨技術(shù)第一次實(shí)現(xiàn)了β磷酸鐵鋰的激活。用球磨β-LiFePO₄樣品作正極材料組裝的鋰電池實(shí)現(xiàn)了130mA g^-1的容量和1000次以上循環(huán)的穩(wěn)定充放電。通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和第一性原理計算，他們提出并驗(yàn)證了缺陷激活機(jī)制。球磨過程引入了Li/Fe反位（Fe_Li）和Fe空位（V_Fe），使得原本沒有通道的純相β-LiFePO₄產(chǎn)生了低能壘的三維鋰離子通道，從而使得β-LiFePO₄被成功激活。該成果使β-LiFePO₄成為一種具有應(yīng)用潛力的新型正極材料，同時相關(guān)的機(jī)理也為今后正極材料的設(shè)計提供了新思路，比如引入無序來激活被囚禁的鋰離子，從而獲得高電化學(xué)性能。相關(guān)工作近日發(fā)表在國際材料著名期刊Nano Letters(DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04302，Nature Index雜志之一，影響因子13.6)上，2013級碩士研究生郭華、宋孝河是該文章的共同第一作者, 特聘研究員鄭家新博士和潘鋒教授是共同通信作者。

左圖為缺陷態(tài)β-LiFePO4結(jié)構(gòu)和鋰離子遷移通道示意圖及相應(yīng)的遷移能壘，右圖為不同球磨條件（例如bLFPC-8為球磨8小時）下的充放電曲線

該工作的合作者還包括新材料學(xué)院兼職教授、美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Wangli Yang教授，美國阿貢實(shí)驗(yàn)室的Khalil Amine教授等。該項工作得到了國家電動汽車動力電池重大專項、廣東省引進(jìn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目、深圳孔雀計劃及深圳市科技創(chuàng)新基礎(chǔ)項目等基金的支持。