提高比能量是我們鋰電人永恆不變的追求，提升鋰離子電池的比能量關鍵在於正負極活性材料，目前來看正極材料主流還是高鎳類材料，例如NCM811和高鎳NCA材料，其比容量可達200mAh/g以上。負極方面主要是硅碳類的材料，例如現在較為常見的SiOx和Si-C複合材料等，通過與石墨材料混合使用，負極的比能量已經能夠達到450-500mAh/g的水平。現有的材料水平實現300Wh/kg，甚至是350Wh/kg比能量目標是沒任何問題的，但是要進一步提升鋰離子電池的比能量達到400Wh/kg，甚至是500Wh/kg以上，現有的體系就無法滿足要求了。美國能源部提出的“Battery 500”計劃就提出要實現動力電池系統比能量達到500Wh/kg就必須要採用金屬Li負極，併為此做了大量的工作，例如我們在之前報道的《PNNL新技術有望讓電動汽車續航里程翻倍》一文中就介紹了美國太平洋西北國家實驗室為解決Li枝晶問題開發的一款局部稀釋高濃度電解液，讓金屬Li電池的循環壽命提高了7倍以上。
除了金屬Li負極以外，富鋰錳基材料高容量的特性也引起了人們廣泛的關注，富鋰錳基材料比容量可達250mAh/g以上，甚至能夠達到300mAh/g，並且由於Mn的價格較低，也使得富鋰錳基材料在價格上具有明顯的優勢。但是富鋰錳材料也存在許多問題，阻礙了其推廣應用，例如為了實現高容量的特性，富鋰錳基材料中除了正常的過渡金屬氧化還原以外，往往還需要O2-參與氧化還原反應，這一方面推高了富鋰錳基材料的充電電壓，另一方面氧化後的O原子非常不穩定，非常容易發生析氧反應，導致材料的結構轉變，從而導致富鋰錳基材料的首次效率低，循環性能差和電壓平臺衰降等一系列的問題。
為了解決富鋰材料存在的問題，美國加州大學伯克利分校的Jinhyuk lee等通過高價態金屬離子摻雜和F離子替代部分O離子的方法，使得材料以Mn2+/Mn4+氧化還原對的形式進行工作，從而減少了反應過程中O2-的氧化，穩定了材料的結構，不僅保留了富鋰材料高容量的特性（300mAh/g ），還極大的提高了富鋰材料的循環壽命。
Jinhyuk lee通過向富鋰錳基材料中添加少量的Nb5+和F-製備了Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料，從而使得材料中的Mn元素能夠以Mn2+/Mn4+氧化還原對進行工作，使得Mn元素氧化還原得到的容量就達到了270mAh/g，是傳統富鋰錳基材料（Mn3+/Mn4+）的兩倍，因此反應中緊緊需要少量的O2-參與反應就能實現300mAh/g的目標。
在充放電測試中，Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料表現出了優異的高容量特性，在20mA/g的電流密度下，材料在1.5-4.6V範圍內可逆容量可達238mAh/g，在1.5-4.8V的情況下，材料的容量可達277mAh/g，在1.5-5.0V的範圍內材料的容量可達304mAh/g，如果進一步降低電流密度到10mA/g，材料的容量甚至可以達到317mAh/g（1.5-5.0V），但是如果縮窄電壓範圍到2.0-4.8V，那麼材料的容量則會下降到233mAh/g（電流密度20mA/g），進一步縮窄到2.3-4.6V，則材料的容量會進一步下降到180mAh/g，說明Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料容量發揮嚴重依賴於充放電截止電壓範圍，為了獲得高容量就必須採用更寬的充放電電壓範圍，這就需要配合相應的耐高壓電解液。
Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料不僅僅表現出了高容量的特性，在倍率特性也有突出的表現（如上圖所示），從圖中我們可以看到Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料在10mA/g的小電流下容量可達317mAh/g——這相當於材料自身比能量1000Wh/kg以上，而做成全電池（負極採用硅碳）的話，應該可以達到350Wh/kg左右。電流密度提高到200mA/g，仍然能夠達到226mAh/g，繼續提高到1000mAh/g，也能夠發揮出140mAh/g的容量，但是這裡我們需要注意的是該測試結果是在60%活性物質比例的情況下得到的，雖然Jinhyuk lee測試表明將活性物質比例提高到70%或者80%仍然能夠獲得類似的測試結果，但是這一活性物質比例仍然要遠遠低於商業鋰離子電池。
下圖是Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料在不同的電壓範圍內的充放電曲線，如果材料中只有Mn2+/Mn4+反應，那麼材料的理論容量應該是在270mAh/g，但是在講電池充電到4.8V以上時，材料的容量已經超過了這一理論容量，Jinhyuk lee認為這主要是由於部分O在充電的過程中發生了氧化，但是相比於其他的富鋰錳基材料，Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料中參與反應的O元素非常少，保證了材料的結構穩定性，減少了材料在循環中的電壓衰降。
為了深入的分析Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料的反應機理，Jinhyuk lee利用XAS工具對Mn元素在充放電的過程中的價態變化進行了分析，從下圖中我們能夠看到當電池在未充電的狀態時Mn元素主要是Mn2+的形式存在，充電到135mAh/g時Mn元素主要是以Mn3+形式存在，在充電到270mAh/g時Mn元素主要是以Mn4+形式存在，在放電的過程中材料的Mn元素則全部恢復為Mn2+。
下圖為Jinhyuk lee等人利用密度函數方法計算得到了不同元素在Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料不同脫鋰狀態下的價態變化，從圖中我們可以看到在脫出0.667個Li時（對應的為Mn2+/Mn3+反應），O元素的價態幾乎沒有發生變化，但是當進一步增加脫Li數量時，就會發生Mn和O的同時氧化現象，例如脫Li達到1.333時（270mAh/g），Mn元素的平均價態為+3.5，O元素的平均價態為-1.8。Jinhyuk lee認為造成Mn元素和O元素同時氧化的主要因素是F元素的存在增加了Mn元素氧化的難度，而過量的Li則使得O元素更加容易被氧化，從而導致Mn和O的氧化電位出現了疊加。
富鋰錳基材料摒棄了價格昂貴的Ni和Co元素，大大降低了材料的成本，Jinhyuk lee通過高價金屬離子摻雜和F-取代O的方式使得Mn2+/Mn4+氧化還原對成為材料內部的主要反應，減少了充放電過程中O2-的氧化，在保持材料高容量的同時，也保證了材料結構的穩定性，提升了材料的循環穩定性，減少了循環過程中的電壓衰降。但是該材料容量發揮高度依賴充放電截止電壓，需要相應的高電壓電解液技術的配合，此外論文中的測試數據大部分都是在活性物質比例為60%的情況下獲得的，這與鋰離子電池在實際應用中的情況存在較大的差距，因此Li2Mn2/3Nb1/3O2F材料距離真正實用還有很多困難需要克服。
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