新材料学院首次发现高容量可充放电的新型β相磷酸铁锂电池材料

锂电池电极材料一直是最近几十年的热门能源材料。锂电池由于其循环可利用、能量密度高的优势，目前已取得广泛的商业化生产和应用，小到电子器件、电动自行车，大到电动汽车、能源(风能、地热能等)存储。锂离子电池由正极、负极和电解液构成，目前的负极材料已具有很高的容量、倍率和稳定性，电解液的窗口电压和离子传导能力也能满足大部分电极材料，但是正极材料的倍率性能、容量和稳定性却还远跟不上。因此，开发新型正极材料一直是一个重要研究方向。

在正极材料中，磷酸铁锂材料橄榄石型(oliven-LiFePO4)具有一维锂离子迁移通道，由于其结构稳定、价格便宜而成为研究的热点，已经广泛应用在电动汽车动力电池上。除橄榄石型之外，β相磷酸铁锂(β-LiFePO4)是另一种结构不同的磷酸铁锂材料，这种材料理论能量密度比橄榄石相更高。但是，纯的β磷酸铁锂材料被证明是没有活性的。纯相β-LiFePO4中锂离子和周围氧原子是以四面体配位的形式存在，不同锂离子被相互隔离开来，橄榄石相中的锂离子一维扩散通道不复存在，反而是铁原子占据了原有的一维锂离子通道，导致没有有效的锂离子迁移通道存在，因此不能充放电，没有锂电池电极材料的活性。如果在β-LiFePO4中能够引入新的锂离子扩散通道，实现高的电化学性能有望成为现实。

近日，新材料学院潘锋教授团队在此领域取得重大突破。他们应用球磨技术第一次实现了β磷酸铁锂的激活。用球磨β-LiFePO4样品作正极材料组装的锂电池实现了130mAg-1的容量和1000次以上循环的稳定充放电。通过进一步的实验和第一性原理计算，他们提出并验证了缺陷激活机制。球磨过程引入了Li/Fe反位(FeLi)和Fe空位(VFe)，使得原本没有通道的纯相β-LiFePO4产生了低能垒的三维锂离子通道，从而使得β-LiFePO4被成功激活。该成果使β-LiFePO4成为一种具有应用潜力的新型正极材料，同时相关的机理也为今后正极材料的设计提供了新思路，比如引入无序来激活被囚禁的锂离子，从而获得高电化学性能。