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 隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品，特別是5G手機(jī)等對(duì)鋰電池續(xù)航時(shí)間和體積要求的不斷提高，進(jìn)一步提升電池體積能量密度成為關(guān)注熱點(diǎn)。近日，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源實(shí)驗(yàn)室的研究人員，采用Ti、Mg、Al三種元素痕量摻雜，使鋰離子電池正級(jí)材料——鈷酸鋰在4.6V高電壓的充放電過(guò)程中，循環(huán)穩(wěn)定性和倍率特性得到極大提升。

　　據(jù)研究人員介紹，提高鈷酸鋰電池的充電電壓可以提高電池的體積能量密度，此前其充電截止電壓已從1991年最早商業(yè)化時(shí)的4.20V逐漸提升至4.45V，體積能量密度也已超過(guò)700Wh/L。隨著充電電壓的提高，鈷酸鋰材料會(huì)逐漸出現(xiàn)不可逆結(jié)構(gòu)相變、表界面穩(wěn)定性和安全性能下降等問(wèn)題，限制了其實(shí)際應(yīng)用。研究人員通常采用多種元素痕量摻雜的手段對(duì)鈷酸鋰材料進(jìn)行改性，以提升其在高電壓充放電過(guò)程中的穩(wěn)定性。

　　該團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)合作，系統(tǒng)研究了Ti、Mg、Al痕量摻雜對(duì)鈷酸鋰材料性能提升的作用機(jī)制，揭示了不同摻雜元素對(duì)材料性能改善的獨(dú)特作用。

　　研究團(tuán)隊(duì)探索了不同摻雜元素在材料顆粒表面及體相內(nèi)的分布規(guī)律，結(jié)果表明，在相同的材料合成條件下，Mg和Al元素更容易摻雜進(jìn)入材料的晶體結(jié)構(gòu)中，而Ti元素則傾向于在鈷酸鋰顆粒表面富集。進(jìn)一步研究顯示，摻雜進(jìn)入鈷酸鋰晶格的Mg、Al可以抑制4.5V高電壓充放電時(shí)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)相變，而結(jié)構(gòu)相變被普遍認(rèn)為是導(dǎo)致鈷酸鋰材料在高電壓充放電下性能衰減的主要原因之一。隨后，Ti元素能夠?yàn)殁捤徜囶w粒提供良好的界面接觸，從而提升材料的倍率性能，并有效地抑制高電壓下材料表面氧離子的氧化活性，從而減緩高電壓下材料與有機(jī)電解液的副反應(yīng)，穩(wěn)定材料的表面。

　　鈷酸鋰是最早商業(yè)化的鋰離子電池正極材料。由于其具有很高的材料密度和電極壓實(shí)密度，使用鈷酸鋰正極的鋰離子電池具有最高的體積能量密度，因此鈷酸鋰是消費(fèi)電子市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的正極材料。