針對備受矚目之高容量鋰離子電池正極材料Li2MnO3，東京大學於日前發表對其充電過程進行了原子等級的解析，並藉此推進材料性能劣化機制的研究。
研究團隊利用化學溶液脫離法，製作了在富鋰類(Lithium-rich)的Li2MnO3的單結晶表面讓鋰離子階段性地脫離(充電)的測試樣本，而在此樣本中，存在了鋰離子脫離領域與未脫離領域形成的奈米界面。接著再以聚焦離子束(鎵離子)精密地切分奈米界面，製作出供掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)觀察用的樣本，並在界面進行了原子等級的原子/電子構造解析。
觀察結果顯示，在鋰離子脫離的領域中，因充電所形成的特殊原子構造與循環特性急遽劣化具有關連性，具體而言有3項發現。其一是正極中的氧因分解被釋放出來；其二是隨著氧的放出，僅有充電領域呈現結晶格子膨脹的狀況；第三項則是錳元素與鋰離子是以原子等級進行混合。
此外，研究團隊也觀察到鋰離子脫離/未脫離的奈米界面形成了部分錳元素呈現規則配列的新構造。在此界面領域，觀察到隨著氧的放出，為了補償結晶格子的膨脹，形成了原子等級缺陷之轉移狀況。由此可知，Li2MnO3充電因形成之奈米界面的移動而展開，是氧的放出與轉移的運作兩者協調之下的特殊過程。
透過此次的研究，可以預期將充放電過程中擔任氧化還原反應的一部分錳，置換成與氧具有高結合性的鎳、鈷等過渡金屬的話，將可讓氧的放出以及隨之而來的局部構造變化控制在最小限度，進而開發出高性能之正極材料。此外，新手法亦能應用於各種材料，可望藉此開發出高容量且長壽命之電池材料。
資料來源：https://www.t.u-tokyo.ac.jp/shared/press/data/setnws_202009091141315293202753_967570.pdf