突破技术瓶颈 令锂电池充放电次数大增一倍！
随着欧洲等地大力推动电动车，锂电池的需求也大幅增长，但锂电池主要的正极材料钴和镍全球储量低，若持续消耗，长远势必导致成本上升，因而科研界一直积极开发其他替代材料。由香港城市大学（香港城大）科学家领导的联合研究团队，早前成功研发出一种超稳定的锰基正极材料，比目前常用的钴和镍正极材料更高容量和耐用，而且充放电次数增加一倍后仍可维持9成的充电容量，为开发低成本、高效的锂电池锰基正极材料，打开新方向。
该研究团队由香港城大物理学系助理教授刘奇博士、以及来自南京理工大学（南理工）、中国科学院物理研究所（中科院物理所）的科学家共同领导。研究所得成果已于科学期刊《自然 -可持续性》（Nature Sustainability）上发表，题为〈LiMnO2 cathode stabilized by interfacial orbital ordering for sustainable lithium-ion batteries〉。
锰基正极材料技术瓶颈：容量保持率低
锂离子电池（Lithium-ion battery）目前广泛应用于手机、电动车等设备，当中锂离子电池的正极材料大多含有钴和镍，但两者的蕴藏量不多，而且开发过程更造成环境污染，于是科学界积极研发以其他金属材料替代，例如锰（manganese）。
在主要的锰基（manganese-based）正极材料中，LiMnO2較具成本效益及較環保，而且具有較高的理論值容量。不过，它的缺点是在充放电过程中，材料的结构不稳定，会出现颗粒破裂、结构迅速退化和严重的锰溶解，导致储电容量下降及保持率低，电池寿命短，因此现阶段难以应用于产业化的锂离子电池。
克服对象︰姜-泰勒畸变
本身一直钻研锂离子电池正极材料的刘博士指出，锰基材料结构不稳定，是因为它的原子结构出现了姜-泰勒畸变（Jahn-Teller distortion），当放电时，LiMnO2里的锰-氧（Mn-O）之间的共价键会被拉长，形成姜-泰勒畸变。由于锰离子（Mn3+）的电子轨道（electron orbit）是成一直线排列的线性有序（collinear ordering），即长程有序，意思为向同一个方向延伸，因而引发连串姜-泰勒畸变，造成协同效应，容易变形。
于是团队便从材料的颗粒内部结构入手，透过「界面工程」（interfacial engineering），破坏了引起姜-泰勒畸变的轨道的相互关联有序，从而抑制大规模姜-泰勒畸变的出现。
以界面工程提高结构稳定性
团队以带有尖晶石结构的Mn3O4为原始电极，通过原位电化学转换（in situ electrochemical conversion）活化，使它变为具有层状和尖晶石共生异质结构（heterostructure）的LiMnO2电极。当在颗粒内部构建了异质结构之后，于层状和尖晶石两相界面晶界两侧的轨道形成了近90度的夹角，衍生了界面轨道有序（interfacial orbital ordering）。刘博士说：“这使轨道的长程有序被破坏了，因而抑制了姜-泰勒畸变。＂
他们的实验证明，在异质结构设计下，姜-泰勒畸变被有效抑制，层状和尖晶石相的畸变度分别只有2.5%和5.5%，远低于单相层状的18%和单相尖晶石的16%，大大提高了结构稳定性。他们亦发现，层状相与尖晶石相在充放电过程中体积膨胀和收缩互为相反，进一步减小颗粒整体的体积变化和应力应变，因而令材料实现超高稳定性。
实现超长的充放电循环寿命
刘博士进一步说：“现时用于智能手机等电子产品的LiCoO2钴正极材料的容量大概为165mAh/g，而我们的材料已经达至254.3mAh g−1，容量更高。＂他续说：“LiCoO2材料在充放电1000次后，容量保持率难以维持在90%以上。而我们的材料在充放电2000次后，容量保持率仍高达90.4%，展示出超长的充放电循环寿命。＂
他们是首次提出利用界面轨道有序调控来抑制姜-泰勒畸变的团队，此新方法推动了高度稳定锰基正极材料的开发，有望带动锰基材料用于可持续及商品化的储能器件。刘博士总结说：“我们期待储能技术成本的降低，推动能源结构朝着更加可持续的方向迈进。我们的材料更有潜力替代现行的商用钴材料，用于电子器件、电动车等。＂
刘博士与来自中科院物理所的研究员谷林博士、南理工的夏晖教授都是论文的共同通讯作者。而论文第一作者是来自南理工的博士后朱晓辉、中科院物理所的孟繁琦博士和张庆华副究员。而来自香港城大的研究人员还有物理学系的博士后研究员朱贺博士，研究团队其他成员则来自南理工、中山大学和美国阿贡国家实验室。
这项研究获得国家自然科学基金会、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金、中国科学院及深圳市科技创新委员会深港创新圈计划D类项目等的资助进行。
DOI number: 10.1038/s41893-020-00660-9
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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