导读：
近期，韩国忠北国立大学研究团队开发出一种单步喷雾热解工艺，成功合成含锶掺杂的多相锂锰氧化物微球正极，有效解决了传统锰酸锂正极因Jahn-Teller畸变导致的结构降解问题。该正极通过多相协同作用提升了锂离子电池的循环稳定性、倍率性能及高温耐受性，展现出良好的商业应用前景。相关研究以“One-Pot Spray Pyrolysis Fabrication of Multi-Phase Lithium Manganese Oxide Microsphere Cathodes for Enhanced Lithium-Ion Battery Performance”为题，发表在期刊《Energy & Environmental Materials》上。
本文要点：
1、该研究首次提出一种快速单步喷雾热解工艺，无需后处理，直接从单一前驱体溶液合成出多相微球正极，其成分包含锶掺杂尖晶石型LiMn₂O₄、少量Sr₂Mn₂O₅相以及类C2/m层状Li₂MnO₃结构。
2、研究先优化出喷雾热解的最佳温度为1000°C，此温度下能使未掺杂的LMO具备高结晶度、适宜的晶格膨胀及出色的电化学性能。锶的掺入发挥了多重积极作用：提高了Mn⁴⁺/Mn³⁺比例，有效抑制了Jahn-Teller畸变；形成的表面局域Sr₂Mn₂O₅相优化了颗粒形貌；类Li₂MnO₃区域丰富了Li⁺扩散路径，同时稳定了结构框架。
3、电化学测试结果显示，Sr-LMO正极性能优异。在1C下循环400次后，容量仍保持81.72 mAh g⁻¹；5C下容量为76.78 mAh g⁻¹，且在高温循环和倍率性能方面均优于纯LMO及商业LMO。此外，采用Sr-LMO作为正极与石墨负极组装的软包全电池，循环稳定性良好，还成功为8V LED供电40分钟，展现出良好的商业应用潜力。
4、该研究证实，单步喷雾热解结合锶掺杂与多相共存策略，是一种具有可扩展性、能量效率高的方法，为制备高性能快充锂离子电池用稳定高压尖晶石正极提供了有效途径。
多相锂锰氧化物微球正极材料（Sr-LMO）通过单步喷雾热解工艺制备，无需后续处理，过程简洁且可规模化，具体步骤如下：
前驱体溶液配制
将硝酸锂（LiNO₃）、硝酸锰六水合物（Mn (NO₃)₂・6H₂O）和硝酸锶（Sr (NO₃)₂）作为原料，按 Li:Mn:Sr 摩尔比 1:1.95:0.05 溶解于蒸馏水中，配制总金属离子浓度为 0.5 M 的均匀混合溶液；其中纯 LMO 合成时额外添加 5 wt% 锂前驱体，以补偿高温反应中可能发生的锂挥发。
雾化形成液滴
通过超声雾化器将前驱体溶液转化为微小液滴，每个液滴作为独立的 “微反应器”，确保后续反应中元素分布均匀。
热解与结晶反应
以空气为载气，将雾化后的液滴以 10 L・min⁻¹ 的流速送入长度为 1200 mm 的管式炉中；
炉内设定最优反应温度 1000°C，液滴在高温区域快速完成三步反应：① 溶剂（蒸馏水）瞬间蒸发；② 金属盐前驱体热分解；③ 产物直接结晶形成多相结构。
产物收集
经高温反应后，直接获得多相微球正极粉末，通过袋式过滤器收集，无需额外退火、掺杂等后处理步骤，最终产物包含 Sr 掺杂 LiMn₂O₄尖晶石、少量 Sr₂Mn₂O₅相及 C2/m 层状类 Li₂MnO₃结构。
整个制备过程连续高效，利用气溶胶反应特性实现了 Sr 的原子级均匀掺杂和 2-3μm 球形二次颗粒的精准形貌控制，为材料的电化学性能提升奠定了结构基础。
Sr-LMO 中多相协同作用的具体机制是什么？各相分别发挥哪些核心功能？
Sr 掺杂 LiMn₂O₄尖晶石相：Sr²⁺均匀嵌入晶格，提高 Mn⁴⁺/Mn³⁺比例（从 08 升至 1.71），降低 Mn³⁺含量，抑制 Mn³⁺引发的 Jahn-Teller 畸变，减少晶格各向异性应变，稳定尖晶石骨架结构；同时使 Li-O 键长从 1.961 Å 增至 1.987 Å，降低 Li⁺迁移能垒，促进离子扩散。
少量 Sr₂Mn₂O₅相：主要分布在颗粒表面及晶界，通过抑制一次颗粒生长细化形貌（Sr-LMO 一次颗粒更小、孔隙更窄），改善颗粒间接触；同时作为机械缓冲层，缓解循环过程中电极的体积变化和机械应力，抑制微裂纹萌生与扩展。
C2/m 层状类 Li₂MnO₃结构：提供额外 Li⁺扩散路径，丰富离子传输通道；同时抑制 Mn 溶解和电解液副反应，减少活性物质流失，降低界面阻抗增长速率。
图1 (a) LMO_800°C、(b) LMO_900°C、(c) LMO_1000°C、(d) LMO_1100°C 的 X 射线衍射（XRD）精修图谱；(e)–(h) 800–1100°C 温度下合成的 LMO 高倍率场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；(i)、(j) 分别为 LMO 和 Sr-LMO 的中子衍射（ND）精修图谱。
图2 LMO 的形貌与结构表征：(a, b) 不同倍率下的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；(c) 聚焦离子束（FIB）处理后的截面场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；(d, g) 高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像；(e, f, h, i) 所选区域的快速傅里叶变换（FFT）衍射图谱及对应的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像；(j) 元素映射图像。
图3 Sr-LMO 的形貌与结构表征：(a, b) 不同倍率下的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；(c) 聚焦离子束（FIB）处理后的截面场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；(d, g) 高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像；(e, f, h, i) 所选区域的快速傅里叶变换（FFT）衍射图谱及对应的逆快速傅里叶变换（IFFT）图像；(j) 元素映射图像。
图4 LMO 样品的 X 射线光电子能谱（XPS）窄扫图谱：(a) Mn 2p 轨道、(b) Mn 3s 轨道、(c) Sr 3d 轨道；Sr-LMO 样品的 X 射线光电子能谱（XPS）窄扫图谱：(d) Mn 2p 轨道、(e) Mn 3s 轨道、(f) Sr 3d 轨道。
图5 LMO 和 Sr-LMO 的电化学性能：(a, b) 0.1C 倍率下的充放电曲线；(c) 25°C、1C 倍率下的循环性能；(d) 不同电流密度下的倍率性能；(e) 45°C 高温、1C 倍率下的循环稳定性；(f, g) 分别为 LMO 和 Sr-LMO 在 1C 倍率下循环 200 次过程中的微分容量-电压（dQ/dV）曲线。
图6 LMO 和 Sr-LMO 电极的电化学阻抗谱（EIS）：(a) 处于初始状态的电池的测试结果；(b) 循环 200 次后的测试结果；(c, d) 循环 200 次后电极的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像：(c) LMO 电极、(d) Sr-LMO 电极。
图7 循环后分析：循环 200 次后的 X 射线光电子能谱（XPS）窄扫图谱：(a, b) LMO 电极的 F 1s 轨道和 Mn 2p 轨道；(c, d) Sr-LMO 电极的 F 1s 轨道和 Mn 2p 轨道；(e, f) 分别为与 LMO 和 Sr-LMO 配对的全电池中，循环 200 次后石墨负极的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像；(g, h) 与 LMO 和 Sr-LMO 配对的石墨负极的 Mn 元素映射图像；(i) 根据能量色散谱（EDS）分析得到的 Mn 质量浓度。
图8 软包型全电池的电化学表征：(a) 分别采用 c-LMO（商业 LMO）和 Sr-LMO 作为正极的软包电池结构示意图；(b) c-LMO@石墨全电池的充放电曲线；(c) Sr-LMO@石墨全电池的充放电曲线；(d) c-LMO@石墨和 Sr-LMO@石墨全电池在 1C 倍率下的循环性能（插图：8V 发光二极管由该电池供电发光 40 分钟，验证器件实用性）。
论文链接：https://doi.org/10.1002/eem2.70249
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