4.6V高电压钴酸锂锂离子电池正极材料研究获进展

钴酸锂（LiCoO2）是最早商业化的锂离子电池正极材料。由于其具有很高的材料密度和电极压实密度，使用钴酸锂正极的锂离子电池具有最高的体积能量密度，因此钴酸锂是消费电子市场应用最广泛的正极材料。随着消费电子产品，特别是 5G 手机等对锂离子电池续航时间和体积大小的要求不断提高，迫切需要进一步提升电池体积能量密度。提高钴酸锂电池的充电电压可以提高电池的体积能量密度，其充电截止电压已经从 1991 年最早商业化时的 4.20V 逐渐提升至 4.45V（vs Li+/Li），体积能量密度已经超过 700Wh/L。目前，开发下一代更高电压的钴酸锂材料已经成为科研界及企业共同关注的热点。随着充电电压的提高，钴酸锂材料会逐渐出现不可逆结构相变、表界面稳定性下降、安全性能下降等问题，限制了其实际应用。通常研究人员通过采用多种元素痕量掺杂的手段对钴酸锂材料进行改性，以提升其在高电压充放电过程中的稳定性。理解不同掺杂元素的作用机制对于设计性能更佳的钴酸锂材料至关重要，然而实验上确定各痕量掺杂元素的作用机制存在挑战。
中国科学院物理研究所 / 北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源实验室 E01 组博士张杰男、李庆浩，在研究员李泓和禹习谦的指导下，采用 Ti、Mg、Al 三种元素痕量掺杂（掺杂比例 <0.1 wt%），使得钴酸锂材料在 4.6 V 高电压充放电过程中的循环稳定性和倍率特性得到了极大的提升（图 1）。该团队进一步与美国布鲁克海文国家实验室、斯坦福国家加速器实验室、美国劳伦斯伯克利国家实验室、江西师范大学和湖南大学等相关研究机构合作，利用同步辐射 X 射线纳米三维成像、共振非弹性 X 射线散射等先进实验技术系统地研究了 Ti、Mg、Al 痕量掺杂对钴酸锂材料性能提升的作用机制，揭示了不同掺杂元素对材料性能改善的独特作用。该研究结果近日发表在《自然 - 能源》上（Nature Energy，2019，DOI: 10.1038/s41560-019-0409-z），文章题为 Trace doping of multiple elements enables stable battery cycling of LiCoO2 at 4.6 V。