近日，我院乔羽教授课题组在提升富锂层状正极材料结构稳定性方面取得重要进展。相关成果以“Constructing Face-Shared Configuration at the Hetero-Interface in Li-Rich Layered Oxide Cathodes”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上（DOI: 10.1002/anie.2943336）。
富锂层状氧化物（Li-rich）因阴离子氧化还原反应可提供超高容量，是下一代高能量密度锂离子电池极具潜力的正极材料。然而，充电时锂离子从过渡金属（TM）层脱出会产生空位，这些空位会驱动TM离子发生不可逆的“面外迁移”，从TM层迁移至锂层。这种迁移不仅会阻塞锂离子扩散通道，还会诱发TM层内形成空位团簇，引起晶格氧失稳、氧气释放以及严重的不可逆畸变，最终导致循环过程中容量的快速衰减和电压的持续下降，严重阻碍其实际应用。
乔羽教授团队创新性地设计并合成了一种O2&O3异质结构富锂正极材料（O2&O3-LLNMO）。该材料由不含锂空位的非富锂O2相与传统富锂O3相在原子尺度复合而成。研究发现，两相界面处呈现同取向排列的“面共享”构型。这种独特的界面结构产生了强烈的静电排斥作用，犹如一道“栅栏”，有效阻挡了O3相中TM离子向锂层的面外迁移。由于TM迁移被抑制，TM层中的空位数量减少，进而限制了TM离子的“面内迁移”和空位团簇的形成，稳定了晶格氧。此外，O2与O3相在充放电过程中晶格参数的相反变化趋势，可以相互抵消，降低了材料内部的微应力。得益于上述多机制协同作用，所制备的O2&O3异质结构正极材料展现出卓越的电化学性能：在2.0-4.8 V电压范围内，首次库仑效率达106.9%，在20 mA g-1电流密度下循环100次后容量保持率高达94.5%，在200 mA g-1下循环500次后仍能保持80.7%的容量，且电压衰减显著减缓。该工作通过精准的异质界面工程设计，为开发兼具高容量与高结构稳定性的实用化富锂正极材料提供了新策略。
该项研究工作在杨茂林副研究员、乔羽教授的指导下完成。博士生王昌豪、严雅文为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金（22288102、22479166）、中国科学技术部（2023YFB2406200）、中央大学基本研究基金（220720250005）等，以及固体表面物理化学国家重点实验室的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2943336
