隨著新能源汽車和儲(chǔ)能市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，商業(yè)化鋰離子電池正極材料（如鎳鈷錳三元材料和鈷酸鋰）在過(guò)去十年間價(jià)格迅速攀升。相比之下，錳元素在自然界中儲(chǔ)量豐富、成本低廉，具備顯著的資源優(yōu)勢(shì)。此外，富鋰錳基層狀氧化物正極中所展現(xiàn)的陰離子氧氧化還原反應(yīng)被認(rèn)為是一種有望突破鋰離子電池能量密度瓶頸的變革性途徑，因而引發(fā)了產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)陰離子氧氧化還原反應(yīng)在高電壓（>4.5?V）條件下容易誘發(fā)氧–氧二聚過(guò)程，生成過(guò)氧/超氧中間物種，導(dǎo)致不可逆的晶格氧逸出。同時(shí)，伴隨的過(guò)渡金屬（TM）離子遷移會(huì)進(jìn)一步引起結(jié)構(gòu)的不可逆相變和晶格破壞，最終造成電池容量和電壓的快速衰減，嚴(yán)重影響電池的使用壽命與管理。盡管此前已有多種改性策略被提出，如體相摻雜、表面修飾、調(diào)控層間堆垛序列以及構(gòu)建巖鹽無(wú)序結(jié)構(gòu)等，均在一定程度上改善了循環(huán)穩(wěn)定性，但依舊難以有效抑制循環(huán)過(guò)程中晶格氧的不可逆損失與結(jié)構(gòu)退化。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒教授團(tuán)隊(duì)在此前基于自主發(fā)展的材料基因組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，由兩相共存引發(fā)的晶格應(yīng)變是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化的根本原因（Nature, 2022, 606, 305—312）、通過(guò)引入彈性晶格設(shè)計(jì)可以構(gòu)建出可實(shí)現(xiàn)>600?mAh?g?1 超高可逆容量的錳基材料（Adv. Mater. 2022, 34, 2202745）、通過(guò)納米尺度的相復(fù)合工程可以提升富鋰錳基材料的循環(huán)穩(wěn)定性（ACS Energy Lett. 2023, 8, 2, 901—908）、通過(guò)合成動(dòng)力學(xué)調(diào)控手段可以緩解晶格應(yīng)變（Energy Environ. Sci., 2024, 17, 3807—3818），基于Pauling規(guī)則可以設(shè)計(jì)出一種具有有序–無(wú)序共格結(jié)構(gòu)的新型富鋰錳基正極材料（Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.202418580）。這些研究為低成本、高能量密度鋰離子電池正極材料的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供了重要的理論指導(dǎo)和實(shí)踐基礎(chǔ)、

近日，潘鋒、美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉同超博士、Khalil Amine及香港中文大學(xué)（深圳）張明建博士團(tuán)隊(duì)基鋰電池材料基因組學(xué)聯(lián)合提出了一種全新的“準(zhǔn)有序”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略。該策略在過(guò)渡金屬層中構(gòu)建了部分Ni取代的短程有序LiMn?超結(jié)構(gòu)，并在層間引入高度陽(yáng)離子無(wú)序化結(jié)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)了在深度脫鋰狀態(tài)下的高可逆性陰離子氧氧化還原反應(yīng)。重要的發(fā)現(xiàn)是晶格氧氧化還原反應(yīng)的可逆性并不取決于其氧化程度，而與晶格構(gòu)型及氧的配位環(huán)境密切相關(guān)。通過(guò)該“準(zhǔn)有序”結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，研究團(tuán)隊(duì)成功穩(wěn)定了晶格中被氧化的氧物種，顯著抑制了具有不可逆性的類O?2?/O??中間體的形成，大幅提升了可逆氧氧化還原的上限利用率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高容量輸出與“近零”電壓衰減的優(yōu)異性能。

這一突破性成果不僅為解決晶格氧不穩(wěn)定性難題提供了全新思路，也為開(kāi)發(fā)兼具高能量密度與長(zhǎng)壽命的陰離子氧化還原正極材料開(kāi)辟了變革性研究路徑。相關(guān)研究以題為“A Quasi-Ordered Mn-Rich Cathode with Highly Reversible Oxygen Anion Redox Chemistry”發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society（JACS），doi.org/10.1021/jacs.5c03271）上。

準(zhǔn)有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高度可逆的陰離子氧化還原富鋰錳基鋰電池正極材料

該工作的共同第一作者為北京大學(xué)深研院新材料學(xué)院博士畢業(yè)生黃偉源（現(xiàn)為美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士后）與碩士畢業(yè)生邱際民，潘鋒、劉同超、Khalil Amine、張明建是該研究工作的共同通訊作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、電動(dòng)汽車動(dòng)力電池與材料國(guó)際聯(lián)合研究中心、廣東省新能源材料設(shè)計(jì)與計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市新能源材料基因組制備和檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。