北京大学新材料学院潘锋团队在《先进材料》报道锂电池高性能钴酸锂材料界面电化学重构研究进展

　　钴酸锂(LiCoO2，LCO)是目前手机、笔记本电脑和高速无人机锂电池最主要的正极材料。目前重要发展挑战是如何在高截止电压下，实现高能量密度锂离子电池的同时能保持循环稳定性。因为当充电截止电压提升至4.55V(vs. Li/Li+)及以上时，剧烈的正极/电解质界面副反应会引发材料表面结构以及正极/电解质界面相(CEI)结构退化，导致电极极化加剧、容量快速衰减与循环稳定性下降，并削弱高压相变过程的可逆性，从而降低电池的循环使用次数。因此，如何在实现高比容量的同时保障材料的体相与表界面结构稳定性，已成为高压钴酸锂商业化应用面临的核心挑战。
 

　　针对以上问题，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队基于此前自主发展的材料基因组学研究发现，通过构建独特无序的岩盐表面结构提升钴酸锂表面电导率及表面结构稳定性(Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202218595)；通过引入表面到体相梯度无序结构提升极端脱锂态和高压态钴酸锂晶格应变的抗疲劳性(Adv. Mater., 2024, 36, 2405)；通过无序岩盐与尖晶石相构筑的双层表面结构提升了高压下相变过程的均匀性与可逆性，并抑制了台阶状表面结构衰减(Nano Energy, 2024, 125, 109537)；通过密实化的CEI结构构筑同时实现钴酸锂表界面结构稳定性以及增强且可逆的高压相变过程(Adv. Mater., 2024, 36, 2408875)；通过氟代碳酸乙烯酯基电解液在钴酸锂表面构筑均匀且稳定的富含P-O组分CEI结构(Energy Environ. Sci., 2024, 17, 7944)。上述研究为高比能及长循环稳定的钴酸锂正极材料的设计和发展提供了重要理论指导和实践基础。
 

V4D4诱导钴酸锂界面电化学重构与调控机制
 

　　潘锋团队联合清华大学柳明副教授团队，从电化学界面原位重构的角度出发，通过在电解液中引入环状有机硅氧烷添加剂2,4,6,8-四甲基-2,4,6,8-四乙烯基环四硅氧烷(V4D4)，并协同氟代碳酸乙烯酯(FEC)，成功构建了具有优异离子电导率和结构稳定性的界面固态电解质膜(CEI)层，显著提升了LCO在4.55 V截止电压下的循环稳定性和容量释放能力(图1)。机理研究表明，V4D4添加剂在电化学过程中与高脱锂态钴酸锂表面形成原子尺度的界面键合与重构，不仅能有效原位清除有害物质HF/H₂O，还能通过开环聚合反应构建富含硅基聚合物组分的CEI层。该界面层具有优异的离子电导率和显著的去极化效应，使钴酸锂正极在4.55V高电压下实现220mAhg-1的超高放电容量，同时展现出卓越的循环稳定性和相变可逆性(200圈97%的容量保持率)。相关研究成果以“Additive-regulated interface chemistry enables depolarization for ultra-high capacity LiCoO2”为题，发表于国际顶级能源期刊《先进材料》(Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.202504106, 影响因子26.8)上。
 

　　该工作在潘锋、柳明和北京大学深圳研究生院博士后郑国瑞(现为清华大学博士后)的共同指导下完成，郑国瑞、北京大学深圳研究生院博士毕业生任恒宇(现为北京大学博雅博士后)、硕士毕业生邱际民为文章的共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金，电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心，广东省新能源材料设计与计算重点实验室，深圳市新能源材料基因组制备和检测重点实验室以及广东省自然科学基金的支持。