【导读】
随着新能源汽车产业的爆发式增长（2024年全球销量达1800万辆，同比增长35%）和储能市场的快速扩张（2024年全球装机量300GW，同比增长40%），锂离子电池的“高能量密度、低成本、资源可持续”需求愈发迫切。作为电池核心组件，正极材料的性能直接决定了电池的上限——传统镍钴锰三元、钴酸锂等材料因钴、镍资源稀缺（全球钴储量约700万吨，主要集中在刚果（金））、成本高企（钴价约30万元/吨），难以满足大规模应用需求。而富锂锰基（Li-rich Mn-based）正极材料，凭借其300mAh/g以上的理论比容量（远超三元材料的200mAh/g）、丰富的锰资源（全球储量15亿吨，中国占比20%）及低成本（约1.5万元/吨），成为下一代电池的“潜力股”。然而，其商业化之路却被“氧不稳定”问题卡住：高电压充放电时，氧-氧二聚反应会导致晶格氧不可逆逸出，过渡金属离子迁移引发材料结构相变，最终造成电池容量快速衰减（循环500次后容量保持率不足60%）。这一难题，成为富锂锰基走向市场的“致命障碍”。
一、新能源需求驱动，富锂锰基成正极材料“潜力股”
新能源汽车的“续航焦虑”和储能系统的“容量需求”，推动锂离子电池向“高能量密度”方向发展。据中国汽车工业协会数据，2024年中国新能源汽车销量达1080万辆，同比增长36%，其中续航里程500公里以上的车型占比达70%，这要求电池能量密度从当前的250Wh/kg提升至350Wh/kg以上。而富锂锰基的理论能量密度可达400Wh/kg以上，正好满足这一需求。此外，锰资源的丰富性（全球锰储量15亿吨，中国占比20%）和低成本（约1.5万元/吨），使其成为“资源可持续”的理想选择。相比之下，三元材料中的钴资源仅能满足全球10年的需求，镍资源也面临供应紧张（全球镍储量约8000万吨，其中硫化镍矿占比30%）。因此，富锂锰基被视为“下一代正极材料的核心方向”。
二、破解“氧不稳定”难题，准有序结构设计是关键
针对富锂锰基的“氧不稳定”问题，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队，联合美国阿贡国家实验室、香港中文大学（深圳）的研究人员，提出了“准有序”结构设计策略。该策略的核心是“双重结构优化”：
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过渡金属层的短程有序设计：在过渡金属层中构建了短程有序的LiMn₆超结构，并通过镍（Ni）取代部分锰（Mn），形成更稳定的结构。镍离子的半径（0.69Å）与锰离子（0.66Å）接近，能够固定过渡金属层的位置，防止锰离子迁移（锰离子迁移是导致结构相变的主要原因）。
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层间的高度阳离子无序化：在层间引入高度阳离子无序化结构，增加结构的灵活性。这种无序化结构允许锂离子更快速地嵌入/脱出（离子导电性提升3倍），同时缓解了高电压下的结构应力（结构变形量减少50%）。
通过同步辐射X射线吸收光谱（XAS）和原位X射线衍射（XRD）分析，团队发现：准有序结构中的镍离子能够“锁定”过渡金属层的位置，防止锰离子向锂层迁移；层间的无序化结构则稳定了氧化氧物种（O²⁻被氧化为O⁻或O₂²⁻时，结构能保持稳定），抑制了不可逆中间体（如O₂）的形成。这些设计使氧氧化还原反应的可逆性提升了40%，彻底解决了“氧逸出”问题。
三、从实验室到应用，为高能量密度电池铺路
团队制备的准有序结构富锂锰基材料，在实验室测试中表现出优异的性能：
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高容量：在2.0-4.8V的电压范围内，首次放电比容量达到320mAh/g（远高于传统富锂锰基的280mAh/g）；
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长寿命：循环1000次后容量保持率仍高达85%（传统材料仅约60%）；
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高倍率性能：在1C充放电（1小时充满）下，容量保持率为90%（传统材料为75%）。
这些数据说明，准有序结构设计显著提升了富锂锰基的性能，使其达到了“商业化应用的门槛”。此外，该成果发表在《美国化学会志》（JACS）上，这是化学领域的顶级期刊，说明研究成果的学术价值得到了国际认可。
结语：准有序结构设计，开启富锂锰基商业化新篇章
潘锋团队的“准有序”结构设计，解决了富锂锰基的“氧不稳定”核心问题，为高能量密度锂电池的商业化应用铺平了道路。该成果不仅提升了富锂锰基的性能（循环寿命延长50%，容量提升15%），更符合“资源可持续”的发展方向（锰资源丰富，成本低）。未来，随着该材料的产业化应用，新能源汽车的续航里程将突破1000公里，储能系统的容量将提升50%，为“双碳”目标的实现提供有力支撑。
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