突破技術瓶頸 令鋰電池充放電次數大增一倍！
隨著歐洲等地大力推動電動車，鋰電池的需求也大幅增長，但鋰電池主要的正極材料鈷和鎳，全球儲量低，若持續消耗，長遠勢必導致成本上升，因而科研界一直積極開發其他替代材料。由香港城市大學（香港城大）科學家領導的聯合研究團隊，早前成功研發出一種超穩定的錳基正極材料，比目前常用的鈷和鎳正極材料更高容量和耐用，而且充放電次數增加一倍後仍可維持9成的充電容量，為開發低成本、高效的鋰電池錳基正極材料，打開新方向。
該研究團隊由香港城大物理學系助理教授劉奇博士、以及來自南京理工大學（南理工）、中國科學院物理研究所（中科院物理所）的科學家共同領導。研究所得成果已於科學期刊《自然 -可持續性》（Nature Sustainability）上發表，題為〈LiMnO2 cathode stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries〉。
錳基正極材料技術瓶頸：容量保持率低
鋰離子電池（Lithium-ion battery）目前廣泛應用於手機、電動車等設備，當中鋰離子電池的正極材料大多含有鈷和鎳，但兩者的蘊藏量不多，而且開發過程更造成環境污染，於是科學界積極研發以其他金屬材料替代，例如錳（manganese）。
在主要的錳基（manganese-based）正極材料中，LiMnO2較具成本效益及較環保，而且具有較高的理論值容量。不過，它的缺點是在充放電過程中，材料的結構不穩定，會出現顆粒破裂、結構迅速退化和嚴重的錳溶解，導致儲電容量下降及保持率低，電池壽命短，因此現階段難以應用於產業化的鋰離子電池。
克服對象︰姜-泰勒畸變
本身一直鑽研鋰離子電池正極材料的劉博士指出，錳基材料結構不穩定，是因為它的原子結構出現了姜-泰勒畸變（Jahn-Teller distortion），當放電時，LiMnO2裡的錳-氧（Mn-O）之間的共價鍵會被拉長，形成姜-泰勒畸變。由於錳離子（Mn3+）的電子軌道（electron orbit）是成一直線排列的線性有序（collinear ordering），即長程有序，意思為向同一個方向延伸，因而引發連串姜-泰勒畸變，造成協同效應，容易變形。
於是團隊便從材料的顆粒內部結構入手，透過「界面工程」（interfacial engineering），破壞了引起姜-泰勒畸變的軌道的相互關聯有序，從而抑制大規模姜-泰勒畸變的出現。
以界面工程提高結構穩定性
團隊以帶有尖晶石結構的Mn3O4為原始電極，通過原位電化學轉換（in situ electrochemical conversion）活化，使它變為具有層狀和尖晶石共生異質結構（heterostructure）的LiMnO2電極。當在顆粒內部構建了異質結構之後，於層狀和尖晶石兩相界面晶界兩側的軌道形成了近90度的夾角，衍生了界面軌道有序（interfacial orbital ordering）。劉博士說：「這使軌道的長程有序被破壞了，因而抑制了姜-泰勒畸變。」
他們的實驗證明，在異質結構設計下，姜-泰勒畸變被有效抑制，層狀和尖晶石相的畸變度分別只有2.5%和5.5%，遠低於單相層狀的18%和單相尖晶石的16%，大大提高了結構穩定性。他們亦發現，層狀相與尖晶石相在充放電過程中體積膨脹和收縮互為相反，進一步減小顆粒整體的體積變化和應力應變，因而令材料實現超高穩定性。
實現超長的充放電循環壽命
劉博士進一步說：「現時用於智能手機等電子產品的LiCoO2鈷正極材料的容量大概為165mAh/g，而我們的材料已經達至254.3mAh g−1，容量更高。」他續說：「LiCoO2材料在充放電1000次後，容量保持率難以維持在90%以上。而我們的材料在充放電2000次後，容量保持率仍高達90.4%，展示出超長的充放電循環壽命。」
他們是首次提出利用界面軌道有序調控來抑制姜-泰勒畸變的團隊，此新方法推動了高度穩定錳基正極材料的開發，有望帶動錳基材料用於可持續及商品化的儲能器件。劉博士總結說：「我們期待儲能技術成本的降低，推動能源結構朝著更加可持續的方向邁進。我們的材料更有潛力替代現行的商用鈷材料，用於電子器件、電動車等。」
劉博士與來自中科院物理所的研究員谷林博士、南理工的夏暉教授都是論文的共同通訊作者。而論文第一作者是來自南理工的博士後朱曉輝、中科院物理所的孟繁琦博士和張慶華副究員。而來自香港城大的研究人員還有物理學系的博士後研究員朱賀博士，研究團隊其他成員則來自南理工、中山大學和美國阿貢國家實驗室。
這項研究獲得國家自然科學基金會、國家重點研發計劃、中央高校基本科研業務費專項資金、中國科學院及深圳市科技創新委員會深港創新圈計劃D類項目等的資助進行。
DOI number: 10.1038/s41893-020-00660-9