近日，我校材料科學與工程學院武開鵬副研究員在《Advanced Energy Materials》上發表了題為“Stress-Induced Anomalous Lithiation Plateau of LiFeyMn1-yPO4 over High-Rate Discharging”的研究論文。該論文第一作者為我校材料科學與工程學院2022級碩士研究生徐恩浩，通訊作者是武開鵬副研究員，四川大學為唯一署名單位和通訊單位。
錳（Mn）被譽為除鋰、鎳、鈷之外的第四種能源金屬，具有高豐度、低成本和低毒性等優勢，衍生出多種基于Mn的能源材料。作為錳基正極材料之一，磷酸錳鐵鋰（LiFeyMn1-yPO4）是繼磷酸鐵鋰之后最具發展潛力的橄欖石型正極材料。通常情況下，LiFeyMn1-yPO4的放電曲線有兩個平臺：分別位于4.1 V（Mn3+/Mn2+）和3.45 V（Fe3+/Fe2+）。然而在大量研究報道中，其放電曲線出現了介于4.1 V和3.45 V之間的一個異常鋰化平臺，其形成原因和嵌鋰機制尚不明確。異常平臺的出現，不僅會降低LiFeyMn1-yPO4電池的能量密度，還會影響不同批次電池之間的一致性。因此，揭秘異常鋰化平臺的形成機制，對推進LiFeyMn1-yPO4正極材料的產業化開發具有重要意義。
基于此，該研究團隊通過基礎電化學表征和結構弛豫分析推測了異常平臺的來源，并采取有限元模擬、密度泛函理論計算和原位X射線衍射技術進行了驗證。結果表明，異常鋰化平臺（PⅡ）源自Mn3+/Mn2+電對，但不同于典型的Mn3+→Mn2+轉變。在快速鋰化過程中，Li+首先聚集在顆粒表層形成局部富鋰相，此時顆粒內部仍是貧鋰相。隨著鋰化的推進，受膨脹過程中相互作用力的影響，兩相邊界承受局部壓應力。這種應力會壓縮邊界晶格，從而降低Mn3+的工作電壓并誘導PII的形成。此外，隨著LiFeyMn1-yPO4中Mn含量的增加，上述效應會愈發顯著。有趣的是，該應力在誘發異常嵌鋰平臺的同時，產生了兩個有益效果：一是增強了Li+的擴散動力學；二是緩解了Jahn-Teller畸變。上述研究將加深人們對LiFeyMn1-yPO4鋰化機制的認知，并為開發高電壓橄欖石正極材料提供新思路。
此外，在錳基負極材料領域，該研究團隊基于NH4+和氧化石墨烯對金屬Mn銹蝕反應的協同強化作用，設計開發了高性能錳基化合物負極材料，并分別應用于鋰離子電池、鋰離子電容器等多個電化學儲能體系。相關研究成果在《Advanced Functional Materials》期刊發表，我校材料科學與工程學院2021級碩士研究生孫小波為論文第一作者，四川大學為唯一署名單位和通訊單位。以上系列研究成果得到了國家自然科學基金委、四川省科技廳、呼和浩特科技局和中央高校基本科研業務費的資助。
