成会明院士/周光敏AM：通过界面稳定和能带结构修饰实现4.7V超高压LiCoO2

钴酸锂（LCO）因其高体积能量密度而被广泛应用于便携式设备的锂离子电池中，其一般充电电压为4.3V。如果将LCO的截止电压从4.3V提高到4.7V，其比容量将从150 mAh g^-1提高到230 mAh g^-1，显著提高53%。

然而，LCO存在H1-3/O1相变、正极和电解质之间的界面不稳定以及在4.7V时发生不可逆的氧氧化反应等严重问题。

图1. MNP-LCO的合成和表征

中科院深圳先进技术研究院成会明院士、清华大学深圳国际研究生院周光敏等提出了界面稳定化和能带结构修饰来增强LCO的晶体结构，以使LCO在4.7 V的超高压下稳定循环。

具体而言，这项工作开发了Mg的组合梯度掺杂、Li层中Ni的均匀掺杂以及均匀的LiMg_xNi_1-xPO₄涂层，其改变了LCO的体相和表面的结构。

第一原理计算揭示了掺杂机制和修饰的能带结构，从而解释了Mg、Ni和P改性的LCO（MNP-LCO）的电荷缺失被抑制和循环稳定性的提高。结果，MNP-LCO在4.7V的电压下显示出良好的循环稳定性和倍率性能。

图2 裸LCO和MNP-LCO的电化学特性

为研究MNP-LCO在高电压下稳定性提高的原因，作者进一步进行了各种表征分析。研究发现，Mg是梯度掺杂的，在表面附近的浓度较高，而Ni则均匀地分布在粒子中。

Mg和Ni都取代了锂的位置，这限制了通常在4.55V以上发生的相变和颗粒开裂。均匀的LiMg_xNi_1-xPO₄涂层有助于形成稳定的CEI，防止电解液分解和Co溶解。

此外，掺杂元素同时抑制了高电压下表层晶格O原子的活性，提高了MNP-LCO在4.7V下的循环稳定性，这为实现LCO的高比容量和能量密度提供了一个很好的策略。

图3. LCO的结构稳定性表征和降解机制

Ultrahigh-voltage LiCoO2 at 4.7 V by Interface Stabilization and Band Structure Modification. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202212059

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