锂离子电池（Li-ion）是可充电电池领域的重要产品。随着电动汽车在全球的普及，利用丰富的锰（Mn）制成的高能量、低成本电池有望成为汽车行业可持续发展的商业选择。目前，用于电动汽车（EV）电池的材料主要是镍（Ni）和钴（Co），但这些材料价格昂贵且不具备可持续性，难以满足日益增长的电动汽车需求。
据外媒报道，日本横滨国立大学（Yokohama National University）的研究人员将电池中的正极材料换成锂/锰基材料，可在保持镍/钴基材料高性能的同时，实现低成本和可持续性。相关研究成果于2024年8月26日发表在期刊《ACS Central Science》上。
在可充电电子产品领域，锂离子电池并非新生事物，但其仍有改进空间。科学家们曾研究过如何将LiMnO2作为电极材料，但一直受到电极性能的限制。
该研究的作者Naoaki Yabuuchi表示：“通过对不同LiMnO2多晶型的系统研究，我们发现单斜层状结构域能够有效激活向尖晶石相的结构转变。基于这一发现，我们利用简单的固态反应直接合成了具有单斜层状结构和高比表面积的纳米结构LiMnO2。”
图片来源：Yokohama National University
单斜晶系是指固体晶体结构的群对称类型。具有单斜对称性的Li/Mn排列似乎是使LiMnO2成为正极材料的关键。如果没有单斜结构域所允许的结构相变，LiMnO2的电极性能就会因其次优的晶体结构和随之而来的相变而受限。
在观察和测试各种多晶型后，研究人员确定所需的结构可以直接由两种组分合成，而无需使用中间步骤。由此产生的材料与镍基层状材料相比更具竞争力，并具有出色的快速充电能力，而这正是电动汽车不可或缺的。
这种具有单斜层状结构的纳米结构LiMnO2通过简单的煅烧工艺合成，其产物的能量密度高达820瓦时/千克（Wh kg-1）。相比之下，镍基层状材料的能量密度约为750Wh kg-1，其它低成本锂基材料的能量密度约为500Wh kg-1。
此外，研究人员也未发现纳米结构LiMnO2出现锰基材料中常见的电压衰减现象。电压衰减是一种电压逐渐降低的现象，随着时间的推移会降低电子设备的性能和响应速度。然而，在纳米结构LiMnO2中，电压衰减似乎并不是一个明显的问题，而这正是该研究的重点。
尽管结果令人鼓舞，但也存在一个实际问题：锰的溶解。随着时间的推移，锰可能由于相变或与酸性溶液反应而溶解。幸运的是，通过使用高浓度电解质溶液和磷酸锂涂层，可以抑制或完全防止这种情况发生。
研究人员希望他们的研究成果能够为电动汽车提供比化石燃料更可持续的能源来源。与镍基材料相比，LiMnO2的性能及其更具竞争力的能量密度展示了替代材料在生产环保且可持续产品方面的潜力。
