上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講席教授黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)助理教授董巖皓團(tuán)隊(duì)將三元材料浸入可樂中，發(fā)現(xiàn)二氧化碳?xì)馀輹ㄏ虬牧项w粒，形成部分鋰離子空位，將地球儲量豐富的鈣離子填充進(jìn)空位后生成的表面鈍化層可大幅提升正極材料的穩(wěn)定性，緩解鋰離子電池能量焦慮。

該成果20日在線發(fā)表于材料科學(xué)國際頂級期刊《先進(jìn)材料》。

文章評審專家認(rèn)為，該研究給出了一種具有超高化學(xué)穩(wěn)定性、超高結(jié)構(gòu)彈性、超高離子電導(dǎo)的優(yōu)異界面改性技術(shù)，利用過飽和的二氧化碳?xì)馀菘蓪囯妼訝钫龢O材料的電壓穩(wěn)定在4.8V高電壓，這種全新的“氣泡靶向封裝+表面鈍化”材料界面改性技術(shù)將有助于大幅提升現(xiàn)有動力汽車用鋰離子電池的能量密度和續(xù)航里程，商用前景廣闊。

圖為可樂氣泡靶向封裝與摻雜金屬離子表面鈍化技術(shù)示意圖。 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講席教授黃富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)供圖

科學(xué)研究的靈感常常源自生活。在可樂中插入一根紙吸管，飲料中的氣泡會加劇產(chǎn)生、甚至溢出。這是因?yàn)榇植诘募埼鼙砻鏋榭蓸分械亩趸继峁┝素S富的成核位點(diǎn)，在微觀結(jié)構(gòu)中形成了連續(xù)的二氧化碳膜。

利用這一原理，黃富強(qiáng)、董巖皓團(tuán)隊(duì)用三元電池材料取代紙吸管，三元材料的粗糙表面也會為二氧化碳?xì)馀萏峁┴S富的成核位點(diǎn)，促進(jìn)二氧化碳?xì)馀菖c三元材料的化學(xué)反應(yīng)，從而生成表面高度均勻的“碳酸鋰基底層”并留下一些鋰離子空位，研究人員將這一過程稱之為“氣泡靶向封裝”。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，“碳酸鋰基底層”還是室溫下?lián)诫s各種金屬離子的優(yōu)良基底。以地球儲量豐富的鈣為例，將鈣離子摻雜進(jìn)“碳酸鋰基底層”，部分鋰離子空位會被填充形成具有極高彈性的含鈣離子的碳酸鋰“表面鈍化層”。“表面鈍化層”不僅有助于抵抗三元正極界面間的副反應(yīng)，抑制氧氣的析出，減少材料相變，提升正極材料的穩(wěn)定性，而且還能作為“緩沖器”，緩解電池材料外表面與內(nèi)部晶界的應(yīng)力，系統(tǒng)提升電池能量密度。

文章第一作者、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生廖恒毅介紹，研究發(fā)現(xiàn)，摻雜金屬離子的選取也十分講究。為此，他們引入“堆積因子”計(jì)算模型，用于指導(dǎo)彈性“表面鈍化層”的構(gòu)建。“‘堆積因子’簡單講，就是材料的實(shí)際體積除以所占空間體積。堆積因子的數(shù)值越低，意味著材料晶體結(jié)構(gòu)的堆積越松散，表面鈍化層的彈性越高。計(jì)算結(jié)果證實(shí)，鈣、鋁、鍶、稀土離子都是堆積因子較低、能構(gòu)建出理想的超高彈性表面鈍化層的優(yōu)異摻雜離子。”

進(jìn)一步電池測試表明，三元鋰電在1C倍率、100次循環(huán)后，容量保持率高達(dá)91.2%；當(dāng)電壓進(jìn)一步提升至4.8V時(shí)，三元鋰電正極材料可擁有918Wh/kg的超高能量密度和100次循環(huán)后89.5%的優(yōu)異容量保持率，優(yōu)于市場主流高鎳/超高鎳正極材料。將“氣泡靶向封裝+表面鈍化”界面改性技術(shù)進(jìn)一步推廣，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，不僅三元鋰電正極材料可以適用于該界面改性技術(shù)，鈷酸鋰、富鋰錳等具有超高能量密度潛力的層狀正極鋰電材料均可適用。

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