锂离子（Li-ion）电池具有重量轻、能量密度高、制造工艺简单、充电时间快等优点，是全球最普遍的电池技术之一。确定可进一步提高其性能或促进其未来升级的策略一直是近期众多研究的重点。
为提高锂离子电池性能而提出的方法之一，就是寻找新的有前途的阴极材料，这些材料可以用自然界中丰富的金属制成。迄今为止，人们发现锂离子阴极在某些方面效果不佳，因为其内部的相变会引起所谓的电压滞后，从而对电池容量产生不利影响。
加州大学伯克利分校和美国其他机构的研究人员最近揭示了富含锂和锰（Mn）的阴极材料中的一种非常规相变。他们在《自然-能源》（Nature Energy）杂志上发表的一篇论文中概述了他们发现的新相变，这种相变可以制造出基于锰的高性能阴极电池。
"该论文的共同作者 Gerbrand Ceder 告诉 Tech Xplore："我们希望创造出高能量密度的锂离子阴极材料，这种材料可以用富含地球的金属制成，而不像目前的阴极材料同时含有钴和镍。"这将意味着锂离子电池的成本更低，从而有助于其在电动汽车、电网等领域的市场渗透"。
锰是一种地球上丰富的金属，因为它已经被大量生产，用于各种实际应用。这种金属具有良好的氧化还原电压，因此可以很好地应用于高能量密度的锂离子电池。
这些优势特性最终促使 Ceder 和他的同事们尝试制造含有大量锰的阴极。一些研究已经探索了富锰阴极的潜力，但迄今为止收集到的大多数结果并不令人满意。
"Ceder说："以前使用锰基阴极的努力受到了一个事实的影响，即锰有四处移动和重新排列晶体结构的倾向。"我们决定将这一问题转化为优势，从一种材料（DRX）入手，这种材料在循环使用时会变成一种非常适合储存锂的结构。因此，这是一种逆向设计： 我们知道这种材料会发生转变，所以我们要确保它转变为非常适合储存锂的材料。
Ceder 和他的同事在研究中揭示的新相被称为三角（δ）相，具有独特的非传统结构。这种结构类似于尖晶石，尖晶石是一类典型的内部组织有序的陶瓷。
"Ceder解释说："我们发现的相与已知的尖晶石结构有关，但只是在非常小的畴中形成这种结构，这些畴之间是反相的。"尖晶石是一种已知可储存锂离子的结构，但其商业化一直存在问题，因为它在电池中循环使用时会发生破坏性相变。"
在研究人员观察到的相中，尖晶石的小域是独立行动的。这就避免了之前在电池运行过程中观察到的尖晶石基阴极的破坏性转变，从而使电池能够在多次电池循环中保持良好的容量。
"Ceder说："我们可以在电池充放电时就地制造'复杂'结构，而这些复杂结构可以具有卓越的性能。"仅基于锰和钛氧化物前驱体的阴极材料可能非常便宜，可以将锂离子电池的成本降低 40-50%。这将使电动汽车和电网电池的成本大大降低。
在实验中，研究人员能够确定富锂和富锰阴极向所谓的三角相转变的动力学机制。这可以为开发具有类似特性的更有前景的阴极材料铺平道路。
Ceder 和他的同事们进行的初步测试取得了非常有希望的结果，因为他们发现所揭示的相既能实现高能量密度，又能实现良好的电池循环性。今后，他们的工作也将鼓励其他团队采用类似的实验策略，探索富含锰的阴极的潜力。
"我们相信，我们可以制造出能量密度更高的材料，"Ceder 补充道。"此外，我们还在努力加速这种向 delta 的转变，这样人们就不必等待 10-20 次循环才能从电池中获得最佳性能。
更多内容：Zijian Cai et al, In situ formed partially disordered phases as earth-abundant Mn-rich cathode materials, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01375-9
